JP5871715B2 - Frequency divider and semiconductor device using the frequency divider - Google Patents
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- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K23/00—Pulse counters comprising counting chains; Frequency dividers comprising counting chains
- H03K23/40—Gating or clocking signals applied to all stages, i.e. synchronous counters
- H03K23/50—Gating or clocking signals applied to all stages, i.e. synchronous counters using bi-stable regenerative trigger circuits
- H03K23/52—Gating or clocking signals applied to all stages, i.e. synchronous counters using bi-stable regenerative trigger circuits using field-effect transistors
Landscapes
- Thin Film Transistor (AREA)
- Logic Circuits (AREA)
- Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
Description
本発明は分周回路に関する。また、分周回路を用いた半導体装置に関する。 The present invention relates to a frequency divider circuit. Further, the present invention relates to a semiconductor device using a frequency dividing circuit.
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、半導体素子、電気光学装置、記憶装置、信号処理装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。 Note that in this specification, a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics, and a semiconductor element, an electro-optical device, a memory device, a signal processing device, a semiconductor circuit, and an electronic device are all semiconductor devices. It is.
中央演算処理装置(CPU:Central Processing Unit)などの半導体装置は、その用途によって多種多様な構成を有している。また、このような半導体装置は、複数の回路により構成されており、例えば、データやプログラムを記憶するための回路(メインメモリ)の他に、レジスタ、キャッシュメモリなど、各種の記憶回路が設けられている。 Semiconductor devices such as a central processing unit (CPU) have various configurations depending on the application. Such a semiconductor device includes a plurality of circuits. For example, in addition to a circuit (main memory) for storing data and programs, various storage circuits such as a register and a cache memory are provided. ing.
レジスタは、演算回路による演算処理や、プログラムの実行状態の保持などのために一時的にデータ信号を保持する役割を担っている。また、キャッシュメモリは、演算回路とメインメモリの間に介在し、低速なメインメモリへのアクセスを減らして、演算回路による演算処理を高速化させることを目的として設けられている。 The register has a role of temporarily holding a data signal for arithmetic processing by an arithmetic circuit, holding of an execution state of a program, and the like. The cache memory is provided between the arithmetic circuit and the main memory for the purpose of reducing the access to the low-speed main memory and speeding up the arithmetic processing by the arithmetic circuit.
このような複数の回路を有する半導体装置では、発振回路で生成された高い周波数のクロック信号を、分周回路を用いて低い周波数のクロック信号に変換し、変換されたクロック信号を各回路の同期を取るために用いている。 In such a semiconductor device having a plurality of circuits, a high-frequency clock signal generated by an oscillation circuit is converted into a low-frequency clock signal using a frequency divider, and the converted clock signal is synchronized with each circuit. Used to take.
分周回路は、一般的に、遅延型フリップフロップ(DFF:Delay Flip Flop)回路を用いて構成される(例えば、特許文献1参照)。 The frequency dividing circuit is generally configured using a delay flip-flop (DFF) circuit (see, for example, Patent Document 1).
まず、図9を用いて一般的な分周回路の構成と動作の一例を示しておく。図9(A)は、DFF(Delay Flip Flop)回路を用いた分周回路100のブロック図である。分周回路100は、DFF回路101、DFF回路102、及びDFF回路103で示す3つのDFF回路を、3段直列に接続した構成を示している。 First, an example of the configuration and operation of a general frequency divider will be described with reference to FIG. FIG. 9A is a block diagram of a frequency dividing circuit 100 using a DFF (Delay Flip Flop) circuit. The frequency dividing circuit 100 has a configuration in which three DFF circuits indicated by a DFF circuit 101, a DFF circuit 102, and a DFF circuit 103 are connected in series in three stages.
DFF回路101乃至DFF回路103は、それぞれ、クロック信号入力部CK、入力部D、出力部Q、及び出力部Qバーを有している。DFF回路101は、クロック信号入力部CKが端子部111と電気的に接続されている。端子部111には、特定の周波数を有するクロック信号CLKが入力される。端子部111に入力されたクロック信号CLKは、クロック信号入力部CKを介してDFF回路101に入力される。DFF回路101の出力部Qバーは、DFF回路101の入力部Dと電気的に接続されている。また、DFF回路101の出力部Qは、ノード112を介して、DFF回路102のクロック信号入力部CKに電気的に接続されている。DFF回路102の出力部Qバーは、DFF回路102の入力部Dと電気的に接続されている。また、DFF回路102の出力部Qは、ノード113を介して、DFF回路103のクロック信号入力部CKに電気的に接続されている。DFF回路103の出力部Qバーは、DFF回路103の入力部Dと電気的に接続されている。また、DFF回路103の出力部Qは、端子部114と電気的に接続されている。 The DFF circuit 101 to DFF circuit 103 each have a clock signal input unit CK, an input unit D, an output unit Q, and an output unit Q bar. In the DFF circuit 101, the clock signal input unit CK is electrically connected to the terminal unit 111. A clock signal CLK having a specific frequency is input to the terminal unit 111. The clock signal CLK input to the terminal unit 111 is input to the DFF circuit 101 via the clock signal input unit CK. The output part Q bar of the DFF circuit 101 is electrically connected to the input part D of the DFF circuit 101. The output unit Q of the DFF circuit 101 is electrically connected to the clock signal input unit CK of the DFF circuit 102 via the node 112. The output part Q bar of the DFF circuit 102 is electrically connected to the input part D of the DFF circuit 102. The output unit Q of the DFF circuit 102 is electrically connected to the clock signal input unit CK of the DFF circuit 103 via the node 113. The output part Q bar of the DFF circuit 103 is electrically connected to the input part D of the DFF circuit 103. The output unit Q of the DFF circuit 103 is electrically connected to the terminal unit 114.
図9(B)は、一般的なDFF回路101の構成を回路記号を用いて示した図である。図9(B)に示すDFF回路101は、インバータ121、インバータ122、及びインバータ123と、アナログスイッチ124及びアナログスイッチ125と、クロックドインバータ126、及びクロックドインバータ127を有している。 FIG. 9B is a diagram showing a configuration of a general DFF circuit 101 using circuit symbols. A DFF circuit 101 illustrated in FIG. 9B includes an inverter 121, an inverter 122, and an inverter 123, an analog switch 124 and an analog switch 125, a clocked inverter 126, and a clocked inverter 127.
図9(B)において、端子部111とインバータ121の入力部が接続するノード115がクロック信号入力部CKに相当する。インバータ121は、入力されたクロック信号CLKの反転信号であるクロックバー信号CLKBを生成し、ノード116へ出力する。アナログスイッチ124、アナログスイッチ125、クロックドインバータ126、及びクロックドインバータ127は、クロック信号CLK及びクロックバー信号CLKBと同期して動作する。また、アナログスイッチ124の入力が入力部Dに相当し、アナログスイッチ125の出力が出力部Qバーに相当する。 In FIG. 9B, a node 115 to which the terminal portion 111 and the input portion of the inverter 121 are connected corresponds to the clock signal input portion CK. Inverter 121 generates clock bar signal CLKB, which is an inverted signal of input clock signal CLK, and outputs it to node 116. The analog switch 124, the analog switch 125, the clocked inverter 126, and the clocked inverter 127 operate in synchronization with the clock signal CLK and the clock bar signal CLKB. The input of the analog switch 124 corresponds to the input unit D, and the output of the analog switch 125 corresponds to the output unit Q bar.
なお、DFF回路102、及びDFF回路103も、DFF回路101と同様の構成を有する。 Note that the DFF circuit 102 and the DFF circuit 103 also have the same configuration as the DFF circuit 101.
図9(C)は、分周回路100の動作を説明するタイミングチャートであり、端子部111、ノード112、ノード113、及び端子部114における電位の時間変化を示している。端子部111に入力されたクロック信号CLKは、DFF回路101により、周波数が1/2倍(周期が2倍)されてノード112に出力される。 FIG. 9C is a timing chart for explaining the operation of the frequency divider circuit 100 and shows changes in potential of the terminal portion 111, the node 112, the node 113, and the terminal portion 114 with time. The clock signal CLK input to the terminal unit 111 is output to the node 112 after the frequency is halved (the cycle is doubled) by the DFF circuit 101.
また、端子部111に入力されたクロック信号CLKは、DFF回路101及びDFF回路102により、周波数が1/4倍(周期が4倍)されてノード113に出力される。 In addition, the clock signal CLK input to the terminal portion 111 is output to the node 113 by the DFF circuit 101 and the DFF circuit 102 having a frequency that is ¼ times (period is four times).
また、端子部111に入力されたクロック信号CLKは、DFF回路101、DFF回路102、及びDFF回路103により、周波数が1/8倍(周期が8倍)されて、端子部114に出力される。このように、DFF回路が一段増える毎に、クロック信号CLKの周波数が1/2倍される。 The clock signal CLK input to the terminal portion 111 is output to the terminal portion 114 after the frequency is 1/8 times (the cycle is 8 times) by the DFF circuit 101, the DFF circuit 102, and the DFF circuit 103. . Thus, every time the DFF circuit is increased by one stage, the frequency of the clock signal CLK is halved.
つづいて、図10に、図9(B)に示した回路記号と、その回路構成を説明する回路図を示す。 Next, FIG. 10 is a circuit diagram illustrating the circuit symbol illustrated in FIG. 9B and its circuit configuration.
図10(A1)は、インバータを示す回路記号であり、図10(A2)は、インバータの回路構成を説明する回路図である。インバータは、p型トランジスタ131と、n型トランジスタ132を有し、p型トランジスタ131のソースまたはドレインの一方が高電源電位VDDに電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方が出力端子Outに電気的に接続されている。また、n型トランジスタ132のソースまたはドレインの一方が低電源電位VSSに電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方が出力端子Outに電気的に接続されている。p型トランジスタ131及びn型トランジスタ132のゲートは、入力端子Inに電気的に接続されている。 10A1 is a circuit symbol indicating an inverter, and FIG. 10A2 is a circuit diagram illustrating a circuit configuration of the inverter. The inverter includes a p-type transistor 131 and an n-type transistor 132, and one of the source and drain of the p-type transistor 131 is electrically connected to the high power supply potential VDD, and the other of the source and drain is electrically connected to the output terminal Out. Connected. One of the source and the drain of the n-type transistor 132 is electrically connected to the low power supply potential VSS, and the other of the source and the drain is electrically connected to the output terminal Out. The gates of the p-type transistor 131 and the n-type transistor 132 are electrically connected to the input terminal In.
ここで、高電源電位VDD(以下、単に「VDD」ともいう)とは、低電源電位VSSよりも高い電位の電源電位を示す。また、低電源電位VSS(以下、単に「VSS」ともいう)とは、高電源電位VDDよりも低い電位の電源電位を示す。また、接地電位をVDDまたはVSSとして用いることもできる。例えばVDDが接地電位の場合には、VSSは接地電位より低い電位であり、VSSが接地電位の場合には、VDDは接地電位より高い電位である。 Here, the high power supply potential VDD (hereinafter also simply referred to as “VDD”) indicates a power supply potential higher than the low power supply potential VSS. The low power supply potential VSS (hereinafter, also simply referred to as “VSS”) indicates a power supply potential lower than the high power supply potential VDD. Alternatively, the ground potential can be used as VDD or VSS. For example, when VDD is a ground potential, VSS is a potential lower than the ground potential, and when VSS is a ground potential, VDD is a potential higher than the ground potential.
インバータは、入力された信号を反転して出力する機能を有する。例えば、インバータの入力端子Inに”1”に相当する信号(例えば、VDD)が入力されると、出力端子Outに”0”(例えば、VSS)が出力される。また、インバータの入力端子Inに”0”に相当する信号が入力されると、出力端子Outに”1”が出力される。 The inverter has a function of inverting an input signal and outputting the inverted signal. For example, when a signal corresponding to “1” (for example, VDD) is input to the input terminal In of the inverter, “0” (for example, VSS) is output to the output terminal Out. When a signal corresponding to “0” is input to the input terminal In of the inverter, “1” is output to the output terminal Out.
図10(B1)は、アナログスイッチを示す回路記号であり、図10(B2)は、アナログスイッチの回路構成を説明する回路図である。アナログスイッチは、n型トランジスタ133とp型トランジスタ134を有し、n型トランジスタ133のソースまたはドレインの一方と、p型トランジスタ134のソースまたはドレインの一方が入力端子Inに電気的に接続され、n型トランジスタ133のソースまたはドレインの他方と、p型トランジスタ134のソースまたはドレインの他方が出力端子Outに電気的に接続されている。また、ここでは、p型トランジスタ134のゲートにクロック信号CLKが供給され、n型トランジスタ133のゲートにクロックバー信号CLKBが供給される例を示している。 FIG. 10B1 is a circuit symbol showing an analog switch, and FIG. 10B2 is a circuit diagram illustrating a circuit configuration of the analog switch. The analog switch includes an n-type transistor 133 and a p-type transistor 134. One of the source and drain of the n-type transistor 133 and one of the source and drain of the p-type transistor 134 are electrically connected to the input terminal In. The other of the source and the drain of the n-type transistor 133 and the other of the source and the drain of the p-type transistor 134 are electrically connected to the output terminal Out. In this example, the clock signal CLK is supplied to the gate of the p-type transistor 134 and the clock bar signal CLKB is supplied to the gate of the n-type transistor 133.
このような構成とすることで、クロック信号CLK及びクロックバー信号CLKBに同期して、入力端子Inと出力端子Outの間を導通、非導通とすることができる。 With such a configuration, the input terminal In and the output terminal Out can be made conductive and non-conductive in synchronization with the clock signal CLK and the clock bar signal CLKB.
図10(C1)は、クロックドインバータを示す回路記号であり、図10(C2)は、クロックドインバータの回路構成を説明する回路図である。クロックドインバータは、図10(A2)に示したインバータのp型トランジスタ131とVDDの間に、さらにp型トランジスタ135を設け、インバータのn型トランジスタ132とVSSの間に、さらにn型トランジスタ136を設けた構成を有する。 FIG. 10C1 is a circuit symbol illustrating a clocked inverter, and FIG. 10C2 is a circuit diagram illustrating a circuit configuration of the clocked inverter. In the clocked inverter, a p-type transistor 135 is further provided between the p-type transistor 131 and VDD of the inverter shown in FIG. 10A2, and an n-type transistor 136 is further provided between the n-type transistor 132 and VSS of the inverter. It has the structure which provided.
具体的には、p型トランジスタ135のソースまたはドレインの一方がVDDに電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方がp型トランジスタ131のソースまたはドレインの一方に電気的に接続される。また、n型トランジスタ136のソースまたはドレインの一方がVSSに電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方がn型トランジスタ132のソースまたはドレインの一方に電気的に接続される。図10(C2)では、p型トランジスタ135のゲートにクロックバー信号CLKBが供給され、n型トランジスタ136のゲートにクロック信号CLKが供給される例を示している。 Specifically, one of the source and the drain of the p-type transistor 135 is electrically connected to VDD, and the other of the source and the drain is electrically connected to one of the source and the drain of the p-type transistor 131. One of the source and the drain of the n-type transistor 136 is electrically connected to VSS, and the other of the source and the drain is electrically connected to one of the source and the drain of the n-type transistor 132. FIG. 10C2 illustrates an example in which the clock bar signal CLKB is supplied to the gate of the p-type transistor 135 and the clock signal CLK is supplied to the gate of the n-type transistor 136.
クロックドインバータは、p型トランジスタ135とn型トランジスタ136がオン状態の時に、入力端子Inに”1”に相当する信号(例えば、VDD)が入力されると、出力端子Outに”0”(例えば、VSS)が出力される。また、p型トランジスタ135とn型トランジスタ136がオン状態の時に、入力端子Inに”0”に相当する信号(例えば、VSS)が入力されると、出力端子Outに”1”(例えば、VDD)が出力される。また、p型トランジスタ135とn型トランジスタ136がオフ状態のときは、出力されない。 When the p-type transistor 135 and the n-type transistor 136 are on, the clocked inverter receives “0” (to the output terminal Out when a signal corresponding to “1” (for example, VDD) is input to the input terminal In. For example, VSS) is output. When a signal corresponding to “0” (for example, VSS) is input to the input terminal In when the p-type transistor 135 and the n-type transistor 136 are on, “1” (for example, VDD) ) Is output. Further, no output is made when the p-type transistor 135 and the n-type transistor 136 are off.
このような構成とすることで、クロック信号CLK及びクロックバー信号CLKBと同期して、入力された信号を反転して出力することができる。 With such a configuration, the input signal can be inverted and output in synchronization with the clock signal CLK and the clock bar signal CLKB.
このように、これまでの一般的な分周回路100では、一つのDFF回路101において、3つのインバータ、2つのアナログスイッチ、2つのクロックドインバータが用いられ、少なくとも合計18個のトランジスタが使用されることとなり、占有面積が大きくなるという問題があった。また、使用するトランジスタ数が多いため、消費電力が増えるという問題があった。 As described above, in the conventional frequency dividing circuit 100, three inverters, two analog switches, and two clocked inverters are used in one DFF circuit 101, and at least a total of 18 transistors are used. As a result, there is a problem that the occupied area becomes large. In addition, since the number of transistors used is large, there is a problem that power consumption increases.
また、従来のインバータでは、出力信号が”1”から”0”、もしくは”0”から”1”へ切りかわる時に、VDDとVSSの間に貫通電流が生じやすく、消費電力の低減が難しいという問題があった。 Further, in the conventional inverter, when the output signal is switched from “1” to “0”, or from “0” to “1”, a through current is easily generated between VDD and VSS, and it is difficult to reduce power consumption. There was a problem.
従来よりも少ないトランジスタ数で分周回路を構成することで、分周回路の占有面積と、消費電力の低減を可能とする。 By configuring the frequency divider circuit with a smaller number of transistors than in the past, the area occupied by the frequency divider circuit and power consumption can be reduced.
本発明の一態様は、第1のインバータと第2のインバータを有し、p型トランジスタである第1のトランジスタ及び第5のトランジスタと、n型トランジスタである第2乃至第4のトランジスタ、及び第6乃至第8のトランジスタと、を有し、第1のトランジスタ、及び第5のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第1の電源に電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第2のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第3のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第5のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第6のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第6のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第7のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第3のトランジスタのソースまたはドレインの他方と、第7のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第2の電源に電気的に接続され、第1のトランジスタのゲートと、第2のトランジスタのゲートは、第8のトランジスタのゲートと、第1のインバータの入力と電気的に接続され、第8のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方と、第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第8のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第7のトランジスタのゲートに電気的に接続され、第2のインバータの入力は、第5のトランジスタのソースまたはドレインの他方と、第6のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第2のインバータの出力は、第4のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第4のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第3のトランジスタのゲートと電気的に接続され、第1のインバータの出力は、第4のトランジスタのゲートと、第5及び第6のトランジスタのゲートと電気的に接続されていることを特徴とする。 One embodiment of the present invention includes a first inverter and a second inverter, first and fifth transistors that are p-type transistors, and second to fourth transistors that are n-type transistors; And one of a source and a drain of the first transistor and the fifth transistor is electrically connected to the first power source, and the source or the drain of the first transistor Is electrically connected to one of the source and the drain of the second transistor, the other of the source and the drain of the second transistor is electrically connected to one of the source and the drain of the third transistor, The other of the source and the drain of the fifth transistor is electrically connected to one of the source and the drain of the sixth transistor. The other of the source and the drain of the sixth transistor is electrically connected to one of the source and the drain of the seventh transistor, and the other of the source and the drain of the third transistor and the source or the drain of the seventh transistor. Is electrically connected to the second power source, and the gate of the first transistor and the gate of the second transistor are electrically connected to the gate of the eighth transistor and the input of the first inverter. One of the source and the drain of the eighth transistor is electrically connected to the other of the source and the drain of the first transistor and one of the source and the drain of the second transistor, and the source or the drain of the eighth transistor The other of the drains is electrically connected to the gate of the seventh transistor, and the input of the second inverter And the other of the source and drain of the fifth transistor and one of the source and drain of the sixth transistor are electrically connected, and the output of the second inverter is electrically connected to one of the source and drain of the fourth transistor. The other of the source and the drain of the fourth transistor is electrically connected to the gate of the third transistor, and the output of the first inverter is connected to the gate of the fourth transistor, the fifth and the fifth 6 is electrically connected to the gate of the transistor No. 6;
第1の電源は、第2の電源よりも高い電位を供給する。また、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタ(以下、OS(Oxide Semiconductor)トランジスタともいう)のオフ電流は、シリコンを用いたトランジスタのオフ電流に比べて著しく少ない。 The first power supply supplies a higher potential than the second power supply. In addition, the off-state current of a transistor including an oxide semiconductor in a semiconductor layer in which a channel is formed (hereinafter also referred to as an OS (Oxide Semiconductor) transistor) is significantly smaller than that of a transistor using silicon.
第4のトランジスタに、OSトランジスタを用いることで、第4のトランジスタのソースまたはドレインに接続するノードの電位を安定して維持することができる。また、第8のトランジスタに、OSトランジスタを用いることで、第8のトランジスタのソースまたはドレインに接続するノードの電位を安定して維持することができる。 By using an OS transistor as the fourth transistor, the potential of a node connected to the source or drain of the fourth transistor can be stably maintained. In addition, by using an OS transistor as the eighth transistor, the potential of the node connected to the source or the drain of the eighth transistor can be stably maintained.
また、OSトランジスタは、第4のトランジスタや、第8のトランジスタ以外のトランジスタに用いることも可能である。このように、OSトランジスタを用いることで、動作が安定し、信頼性の高い半導体装置を実現することが可能となる。 The OS transistor can also be used as a transistor other than the fourth transistor or the eighth transistor. In this manner, by using an OS transistor, a semiconductor device with stable operation and high reliability can be realized.
本発明の一態様により、占有面積の小さい分周回路を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a divider circuit with a small occupation area can be provided.
本発明の一態様により、消費電力が低減された分周回路を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a frequency divider circuit with reduced power consumption can be provided.
本発明の一態様である分周回路を用いることにより、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。 By using the divider circuit which is one embodiment of the present invention, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided.
本発明の一態様により、動作が安定し、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a highly reliable semiconductor device with stable operation can be provided.
本発明の一態様は、少なくとも上記課題の一を解決する。 One embodiment of the present invention solves at least one of the above problems.
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it will be easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below.
なお、「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れかわることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れかえて用いることができるものとする。 Note that the functions of “source” and “drain” may be interchanged when transistors having different polarities are employed or when the direction of current changes during circuit operation. Therefore, in this specification, the terms “source” and “drain” can be used interchangeably.
「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限はない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。 “Electrically connected” includes a case of being connected via “something having an electric action”. Here, the “having some electric action” is not particularly limited as long as it can exchange electric signals between the connection targets. For example, “thing having some electric action” includes electrodes, wiring, switching elements such as transistors, resistance elements, inductors, capacitors, and other elements having various functions.
回路図上は独立している構成要素どうしが電気的に接続しているように図示されている場合であっても、実際には、例えば配線の一部が電極としても機能する場合など、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。本明細書において電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。 Even in the case where independent components are illustrated as being electrically connected to each other on the circuit diagram, in practice, for example, when a part of the wiring also functions as an electrode, In some cases, the conductive film has the functions of a plurality of components. In this specification, the term “electrically connected” also includes such a case where one conductive film has functions of a plurality of components.
図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解の簡単のため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。 The position, size, range, and the like of each component illustrated in the drawings and the like may not represent the actual position, size, range, or the like for easy understanding. Therefore, the disclosed invention is not necessarily limited to the position, size, range, or the like disclosed in the drawings and the like.
「第1」、「第2」、「第3」などの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではない。 Ordinal numbers such as “first”, “second”, and “third” are attached to avoid confusion between components, and are not limited numerically.
なお、電圧とは2点間における電位差のことをいい、電位とはある一点における静電場の中にある単位電荷が持つ静電エネルギー(電気的な位置エネルギー)のことをいう。ただし、一般的に、ある一点における電位と基準となる電位(例えば接地電位)との電位差のことを、単に電位もしくは電圧と呼び、電位と電圧が同義語として用いられることが多い。このため、本明細書では特に指定する場合を除き、電位を電圧と読み替えてもよいし、電圧を電位と読み替えてもよいこととする。 The voltage refers to a potential difference between two points, and the potential refers to electrostatic energy (electric potential energy) possessed by a unit charge in an electrostatic field at a certain point. However, generally, a potential difference between a potential at a certain point and a reference potential (for example, ground potential) is simply referred to as a potential or a voltage, and the potential and the voltage are often used as synonyms. Therefore, in this specification, unless otherwise specified, the potential may be read as a voltage, or the voltage may be read as a potential.
(実施の形態1)
図1乃至図6を用いて、本発明の一態様である分周回路の構成と動作の一例について説明する。分周回路は、1つまたは複数のFF(Flip Flop)回路を有する。本実施の形態では、FF回路201、FF回路202、及びFF回路203で示す、3つのFF回路を有する分周回路200を例示して説明する。
(Embodiment 1)
An example of a structure and operation of the divider circuit which is one embodiment of the present invention is described with reference to FIGS. The frequency divider circuit has one or a plurality of FF (Flip Flop) circuits. In this embodiment, a frequency dividing circuit 200 including three FF circuits, which is illustrated by an FF circuit 201, an FF circuit 202, and an FF circuit 203, is described as an example.
図1(A)は、分周回路200の構成を示すブロック図であり、FF回路201乃至FF回路203が、3段直列に接続されている。 FIG. 1A is a block diagram illustrating a configuration of the frequency dividing circuit 200, in which FF circuits 201 to 203 are connected in series in three stages.
FF回路201乃至FF回路203は、それぞれ、クロック信号入力部CK、入力部D、出力部Q、及び出力部Qバーを有している。FF回路201は、クロック信号入力部CKが端子部211と電気的に接続されている。端子部211には、特定の周波数を有するクロック信号CLKが入力される。端子部211に入力されたクロック信号CLKは、クロック信号入力部CKを介してFF回路201に入力される。FF回路201の出力部Qバーは、FF回路201の入力部Dと電気的に接続されている。また、FF回路201の出力部Qは、ノード212を介して、FF回路202のクロック信号入力部CKに電気的に接続されている。FF回路202の出力部Qバーは、FF回路202の入力部Dと電気的に接続されている。また、FF回路202の出力部Qは、ノード213を介して、FF回路203のクロック信号入力部CKに電気的に接続されている。FF回路203の出力部Qバーは、FF回路203の入力部Dと電気的に接続されている。また、FF回路203の出力部Qは、端子部214と電気的に接続されている。 Each of the FF circuits 201 to 203 includes a clock signal input unit CK, an input unit D, an output unit Q, and an output unit Q bar. In the FF circuit 201, the clock signal input unit CK is electrically connected to the terminal unit 211. A clock signal CLK having a specific frequency is input to the terminal portion 211. The clock signal CLK input to the terminal unit 211 is input to the FF circuit 201 via the clock signal input unit CK. The output part Q bar of the FF circuit 201 is electrically connected to the input part D of the FF circuit 201. The output unit Q of the FF circuit 201 is electrically connected to the clock signal input unit CK of the FF circuit 202 via the node 212. The output part Q bar of the FF circuit 202 is electrically connected to the input part D of the FF circuit 202. The output unit Q of the FF circuit 202 is electrically connected to the clock signal input unit CK of the FF circuit 203 via the node 213. The output part Q bar of the FF circuit 203 is electrically connected to the input part D of the FF circuit 203. The output unit Q of the FF circuit 203 is electrically connected to the terminal unit 214.
図1(B)は、FF回路201の構成を示す回路図である。 FIG. 1B is a circuit diagram illustrating a configuration of the FF circuit 201.
なお、図中、トランジスタに、OSトランジスタを用いる箇所に、「OS」の符号を付している。 Note that in the drawing, a symbol “OS” is attached to a portion where an OS transistor is used.
図1(B)に示すFF回路201は、インバータ221(第1のインバータともいう)、及びインバータ222(第2のインバータともいう)を有し、p型のトランジスタ231(第1のトランジスタともいう)、及びトランジスタ234(第5のトランジスタともいう)と、n型のトランジスタ232(第2のトランジスタともいう)、トランジスタ233(第3のトランジスタともいう)、トランジスタ235(第6のトランジスタともいう)、及びトランジスタ236(第7のトランジスタともいう)を有し、OSトランジスタであるトランジスタ237(第4のトランジスタともいう)、及びトランジスタ238(第8のトランジスタともいう)を有する。 An FF circuit 201 illustrated in FIG. 1B includes an inverter 221 (also referred to as a first inverter) and an inverter 222 (also referred to as a second inverter), and is also referred to as a p-type transistor 231 (also referred to as a first transistor). ), A transistor 234 (also referred to as a fifth transistor), an n-type transistor 232 (also referred to as a second transistor), a transistor 233 (also referred to as a third transistor), and a transistor 235 (also referred to as a sixth transistor). And a transistor 236 (also referred to as a seventh transistor), a transistor 237 (also referred to as a fourth transistor) which is an OS transistor, and a transistor 238 (also referred to as an eighth transistor).
端子部211とインバータ221の入力部が接続するノード216がクロック信号入力部CKに相当する。インバータ221は、入力されたクロック信号CLKの反転信号であるクロックバー信号CLKBを生成し、ノード215へ出力する。トランジスタ231のソースまたはドレインの一方はVDDに電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方はノード217に電気的に接続されている。トランジスタ232のソースまたはドレインの一方はノード217に電気的に接続されている。トランジスタ231及びトランジスタ232のゲートは、ノード216に電気的に接続されている。トランジスタ233のソースまたはドレインの一方はVSSに電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方は、トランジスタ232のソースまたはドレインの他方に電気的に接続されている。トランジスタ237のソースまたはドレインの一方は、ノード219を介してトランジスタ233のゲートに電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方は、ノード218に電気的に接続されている。インバータ222は、入力部がノード212に電気的に接続され、出力部がノード218に電気的に接続されている。 A node 216 to which the terminal portion 211 and the input portion of the inverter 221 are connected corresponds to the clock signal input portion CK. Inverter 221 generates clock bar signal CLKB, which is an inverted signal of input clock signal CLK, and outputs it to node 215. One of a source and a drain of the transistor 231 is electrically connected to VDD, and the other of the source and the drain is electrically connected to the node 217. One of a source and a drain of the transistor 232 is electrically connected to the node 217. Gates of the transistors 231 and 232 are electrically connected to the node 216. One of a source and a drain of the transistor 233 is electrically connected to VSS, and the other of the source and the drain is electrically connected to the other of the source and the drain of the transistor 232. One of a source and a drain of the transistor 237 is electrically connected to the gate of the transistor 233 through the node 219, and the other of the source and the drain is electrically connected to the node 218. Inverter 222 has an input portion electrically connected to node 212 and an output portion electrically connected to node 218.
トランジスタ234のソースまたはドレインの一方はVDDに電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方はノード212に電気的に接続されている。トランジスタ235のソースまたはドレインの一方はノード212に電気的に接続されている。トランジスタ234及びトランジスタ235のゲートは、ノード215に電気的に接続されている。トランジスタ236のソースまたはドレインの一方はVSSに電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方は、トランジスタ235のソースまたはドレインの他方と電気的に接続されている。トランジスタ238のソースまたはドレインの一方は、ノード220を介してトランジスタ236のゲートに電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方は、ノード217に電気的に接続されている。 One of a source and a drain of the transistor 234 is electrically connected to VDD, and the other of the source and the drain is electrically connected to the node 212. One of a source and a drain of the transistor 235 is electrically connected to the node 212. The gates of the transistor 234 and the transistor 235 are electrically connected to the node 215. One of a source and a drain of the transistor 236 is electrically connected to VSS, and the other of the source and the drain is electrically connected to the other of the source and the drain of the transistor 235. One of a source and a drain of the transistor 238 is electrically connected to the gate of the transistor 236 through the node 220, and the other of the source and the drain is electrically connected to the node 217.
次に、FF回路201の動作について図3乃至図6を用いて説明する。図3は、FF回路201の動作を説明するタイミングチャートであり、動作期間t1乃至t4における各ノードの電位を示している。図4及び図5は各動作期間におけるFF回路201が有するトランジスタの状態を示している。 Next, the operation of the FF circuit 201 will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a timing chart for explaining the operation of the FF circuit 201, and shows the potential of each node in the operation period t1 to t4. 4 and 5 show the states of the transistors included in the FF circuit 201 in each operation period.
なお、以下に示す動作説明はこれに限定されず、各トランジスタの導通状態が同じ動作となれば、適宜各トランジスタの導電型、論理回路の組み合わせ、及び各信号の電位を設定することができる。ここでは、各信号をH電位とL電位で表し、H電位はn型トランジスタをオン状態、p型トランジスタをオフ状態とする電位(例えば、VDD)とし、L電位はp型トランジスタをオン状態、n型トランジスタをオフ状態とする電位(例えば、VSS)とする。なお、ノード219の電位は初期状態としてH電位であるとし、ノード220の電位は初期状態としてH電位であるとする。また、クロック信号CLKは、特定の周期(周波数)でH電位またはL電位に変化するものとする。また、図4及び図5において、オフ状態となったトランジスタには、×印を付記している。 Note that the following description of the operation is not limited thereto, and if the conduction state of each transistor is the same, the conductivity type of each transistor, the combination of logic circuits, and the potential of each signal can be set as appropriate. Here, each signal is represented by an H potential and an L potential, the H potential is a potential that turns on the n-type transistor and the p-type transistor is turned off (for example, VDD), and the L potential is the state that the p-type transistor is turned on. The potential is set to turn off the n-type transistor (for example, VSS). Note that the potential of the node 219 is an H potential as an initial state, and the potential of the node 220 is an H potential as an initial state. Further, the clock signal CLK changes to an H potential or an L potential at a specific period (frequency). In FIGS. 4 and 5, an x mark is added to a transistor that is turned off.
まず、図3の期間t1の動作について、図4(A)を用いて説明する。 First, the operation in the period t1 in FIG. 3 is described with reference to FIG.
期間t1では、端子部211からクロック信号CLKのH電位が入力され、ノード216の電位がH電位となり、インバータ221によりクロックバー信号CLKBが生成されて、ノード215の電位がL電位となる。すると、トランジスタ237がオフ状態となり、ノード219にはH電位が保持され、トランジスタ233もオン状態が保持される。 In the period t1, the H potential of the clock signal CLK is input from the terminal portion 211, the potential of the node 216 becomes the H potential, the clock bar signal CLKB is generated by the inverter 221, and the potential of the node 215 becomes the L potential. Then, the transistor 237 is turned off, the H potential is held at the node 219, and the transistor 233 is also kept on.
また、ノード216がH電位となるため、トランジスタ231がオフ状態、トランジスタ232がオン状態となり、ノード217とノード223が導通され、ノード217にL電位(VSS)が供給される。 Further, since the node 216 has an H potential, the transistor 231 is turned off, the transistor 232 is turned on, the node 217 and the node 223 are brought into conduction, and the node 217 is supplied with the L potential (VSS).
また、ノード215の電位はL電位であるため、トランジスタ234がオン状態となり、トランジスタ235がオフ状態となる。すると、ノード212にH電位(VDD)が供給され、インバータ222からL電位が出力されて、ノード218がL電位となる。 Further, since the potential of the node 215 is an L potential, the transistor 234 is turned on and the transistor 235 is turned off. Then, the H potential (VDD) is supplied to the node 212, the L potential is output from the inverter 222, and the node 218 becomes the L potential.
また、トランジスタ238がオン状態となり、ノード217とノード220が導通し、ノード220の電位がL電位となる。よって、トランジスタ236はオフ状態となる。 Further, the transistor 238 is turned on, the node 217 and the node 220 are brought into conduction, and the potential of the node 220 becomes the L potential. Thus, the transistor 236 is turned off.
次に、図3の期間t2の動作について、図4(B)を用いて説明する。 Next, the operation in the period t2 in FIG. 3 is described with reference to FIG.
期間t2では、端子部211からクロック信号CLKのL電位が入力され、ノード216の電位がL電位となり、インバータ221によりクロックバー信号CLKBが生成されて、ノード215の電位がH電位となる。ノード216の電位がL電位になると、トランジスタ238、及びトランジスタ232がオフ状態となり、トランジスタ231がオン状態となり、ノード217にH電位が供給される。 In the period t2, the L potential of the clock signal CLK is input from the terminal portion 211, the potential of the node 216 becomes the L potential, the clock bar signal CLKB is generated by the inverter 221, and the potential of the node 215 becomes the H potential. When the potential of the node 216 becomes an L potential, the transistor 238 and the transistor 232 are turned off, the transistor 231 is turned on, and the H potential is supplied to the node 217.
トランジスタ238はオフ状態であるため、ノード217とノード220は導通されず、ノード220の電位はL電位のまま保持され、トランジスタ236もオフ状態が保持される。 Since the transistor 238 is in an off state, the node 217 and the node 220 are not conducted, the potential of the node 220 is maintained at the L potential, and the transistor 236 is also maintained in the off state.
また、ノード215の電位がH電位となるため、トランジスタ234がオフ状態、トランジスタ235がオン状態となるが、トランジスタ236がオフ状態であるため、ノード212は電気的に浮遊した状態(フローティング状態)となり、ノード212の電荷は移動できずに保持される。ここでは、結果的にノード212にH電位が保持される。よって、インバータ222からは、ノード218にL電位が出力される。また、ノード215がH電位となるため、トランジスタ237がオン状態となり、ノード218とノード219が導通し、ノード219の電位がL電位となる。よって、トランジスタ233はオフ状態となる。 In addition, since the potential of the node 215 is H, the transistor 234 is turned off and the transistor 235 is turned on. However, since the transistor 236 is turned off, the node 212 is in an electrically floating state (floating state). Thus, the charge at the node 212 is held without being moved. Here, as a result, the node 212 holds the H potential. Therefore, the L potential is output from the inverter 222 to the node 218. Further, since the node 215 is at the H potential, the transistor 237 is turned on, the node 218 and the node 219 are brought into conduction, and the potential of the node 219 becomes the L potential. Accordingly, the transistor 233 is turned off.
次に、図3の期間t3の動作について、図5(A)を用いて説明する。 Next, operation in the period t3 in FIG. 3 is described with reference to FIG.
期間t3では、端子部211からクロック信号CLKのH電位が入力され、ノード216の電位がH電位となり、インバータ221によりクロックバー信号CLKBが生成されて、ノード215の電位がL電位となる。ノード215の電位がL電位になると、トランジスタ237がオフ状態となり、ノード219の電位(L電位)が保持され、トランジスタ233もオフ状態が保持される。 In the period t3, the H potential of the clock signal CLK is input from the terminal portion 211, the potential of the node 216 becomes the H potential, the clock bar signal CLKB is generated by the inverter 221, and the potential of the node 215 becomes the L potential. When the potential of the node 215 becomes the L potential, the transistor 237 is turned off, the potential of the node 219 (L potential) is held, and the transistor 233 is also kept off.
また、ノード216の電位がH電位になると、トランジスタ232がオン状態となり、トランジスタ231がオフ状態となるが、トランジスタ233がオフ状態であるため、ノード217は電気的に浮遊した状態(フローティング状態)となり、ノード217の電荷は移動できずに保持される。ここでは、結果的にノード217にH電位が保持される。また、トランジスタ238がオン状態となり、ノード217とノード220が導通し、ノード220の電位がH電位となる。よって、トランジスタ236がオン状態となる。 Further, when the potential of the node 216 becomes an H potential, the transistor 232 is turned on and the transistor 231 is turned off. However, since the transistor 233 is turned off, the node 217 is in an electrically floating state (floating state). Thus, the charge at the node 217 is held without being moved. Here, as a result, the node 217 holds the H potential. Further, the transistor 238 is turned on, the node 217 and the node 220 are brought into conduction, and the potential of the node 220 becomes the H potential. Accordingly, the transistor 236 is turned on.
ノード215の電位がL電位となるため、トランジスタ234がオン状態、トランジスタ235がオフ状態となり、ノード212にH電位が供給され、インバータ222からL電位が出力されて、ノード218がL電位となる。 Since the potential of the node 215 becomes the L potential, the transistor 234 is turned on, the transistor 235 is turned off, the H potential is supplied to the node 212, the L potential is output from the inverter 222, and the node 218 becomes the L potential. .
次に、図3の期間t4の動作について、図5(B)を用いて説明する。 Next, operation in the period t4 in FIG. 3 is described with reference to FIG.
期間t4では、端子部211からクロック信号CLKのL電位が入力され、ノード216の電位がL電位となり、インバータ221によりクロックバー信号CLKBが生成されて、ノード215の電位がH電位となる。ノード216の電位がL電位になると、トランジスタ238がオフ状態となり、ノード220の電位(H電位)が保持され、トランジスタ236もオン状態が保持される。 In the period t4, the L potential of the clock signal CLK is input from the terminal portion 211, the potential of the node 216 becomes the L potential, the clock bar signal CLKB is generated by the inverter 221, and the potential of the node 215 becomes the H potential. When the potential of the node 216 becomes an L potential, the transistor 238 is turned off, the potential of the node 220 (H potential) is held, and the transistor 236 is also kept on.
また、ノード215の電位がH電位になると、トランジスタ234がオフ状態となり、トランジスタ235がオン状態となり、ノード212とノード223が導通され、ノード212にL電位(VSS)が供給される。ノード212にL電位が供給されると、インバータ222からH電位が出力されて、ノード218がH電位となる。 Further, when the potential of the node 215 becomes an H potential, the transistor 234 is turned off, the transistor 235 is turned on, the node 212 and the node 223 are brought into conduction, and the node 212 is supplied with the L potential (VSS). When the L potential is supplied to the node 212, the H potential is output from the inverter 222, and the node 218 becomes the H potential.
また、ノード215の電位がH電位になると、トランジスタ237がオン状態となり、ノード218とノード219が導通され、ノード219がH電位となり、トランジスタ233がオン状態となる。 Further, when the potential of the node 215 becomes H potential, the transistor 237 is turned on, the node 218 and the node 219 are brought into conduction, the node 219 becomes H potential, and the transistor 233 is turned on.
また、ノード216の電位がL電位になると、トランジスタ231がオン状態となり、トランジスタ232がオフ状態となり、ノード217がH電位となる。 Further, when the potential of the node 216 becomes an L potential, the transistor 231 is turned on, the transistor 232 is turned off, and the node 217 becomes an H potential.
このように、本発明の一態様であるFF回路は、入力されたクロック信号CLKの半分の周波数を有する信号を出力することができる。また、本実施の形態ではFF回路の出力としてノード212の電位を出力する例を示しているが、他のノードの電位を出力として用いてもよい。例えば、ノード219もしくはノード220の電位を出力として用いると、入力されたクロック信号CLKとデューティー比がほぼ同じで、半分の周波数を有する信号を出力することができる。 As described above, the FF circuit which is one embodiment of the present invention can output a signal having a half frequency of the input clock signal CLK. Further, although an example in which the potential of the node 212 is output as the output of the FF circuit is described in this embodiment, the potential of another node may be used as the output. For example, when the potential of the node 219 or the node 220 is used as an output, a signal having a duty ratio substantially the same as that of the input clock signal CLK and a half frequency can be output.
また、本実施の形態に開示するFF回路は、カウンター回路など他の回路に用いることが可能である。 The FF circuit disclosed in this embodiment can be used for other circuits such as a counter circuit.
図6は、分周回路200の動作を説明するタイミングチャートであり、端子部211、ノード212、ノード213、及び端子部214における電位の時間変化を示している。端子部211に入力されたクロック信号CLKは、FF回路201により、周波数が1/2倍(周期が2倍)されてノード212に出力される。 FIG. 6 is a timing chart for explaining the operation of the frequency dividing circuit 200, and shows changes with time of potentials in the terminal portion 211, the node 212, the node 213, and the terminal portion 214. The clock signal CLK input to the terminal unit 211 is output to the node 212 after the frequency is halved (the cycle is doubled) by the FF circuit 201.
また、端子部211に入力されたクロック信号CLKは、FF回路201及びFF回路202により、周波数が1/4倍(周期が4倍)されてノード213に出力される。 Further, the clock signal CLK input to the terminal portion 211 is output to the node 213 after the frequency is 1/4 times (period is 4 times) by the FF circuit 201 and the FF circuit 202.
また、端子部211に入力されたクロック信号CLKは、FF回路201、FF回路202、及びFF回路203により、周波数が1/8倍(周期が8倍)されて端子部114に出力される。このように、FF回路を1段通過する毎に、クロック信号CLKの周波数が1/2倍される。 The clock signal CLK input to the terminal unit 211 is output to the terminal unit 114 after the frequency is 1/8 times (the cycle is 8 times) by the FF circuit 201, the FF circuit 202, and the FF circuit 203. As described above, the frequency of the clock signal CLK is halved every time one stage is passed through the FF circuit.
例えば、FF回路を15段直列接続した分周回路に、32.768kHzの周波数を有するクロック信号CLKを入力すると、1Hzの周波数を有するクロック信号CLKを得ることができる。すなわち、分周回路200は、一定時間ごとに信号を生じさせるタイマー回路として用いることも可能である。 For example, when a clock signal CLK having a frequency of 32.768 kHz is input to a frequency dividing circuit in which 15 stages of FF circuits are connected in series, the clock signal CLK having a frequency of 1 Hz can be obtained. That is, the frequency dividing circuit 200 can also be used as a timer circuit that generates a signal at regular intervals.
本発明の一態様であるFF回路は、従来のDFF回路よりも少ないトランジスタ数で構成することが可能であり、用いるインバータ数も少ないため、貫通電流による消費電力の増加を抑えることができる。すなわち、従来よりも少ないトランジスタ数で分周回路を作製することができる。よって、占有面積が小さく、消費電力が低減された半導体装置を実現することができる。 The FF circuit which is one embodiment of the present invention can be configured with a smaller number of transistors than a conventional DFF circuit, and the number of inverters used is small. Therefore, an increase in power consumption due to through current can be suppressed. That is, a frequency divider circuit can be manufactured with a smaller number of transistors than in the past. Thus, a semiconductor device with a small occupation area and reduced power consumption can be realized.
また、OSトランジスタは、シリコンを用いたトランジスタのオフ電流に比べて著しく低く、チャネル幅1μmあたりのオフ電流値を100zA以下、好ましくは10zA以下、更に好ましくは1zA以下にすることができる。 The OS transistor is significantly lower than the off-state current of a transistor using silicon, and can have an off-current value per channel width of 1 μm of 100 zA or less, preferably 10 zA or less, and more preferably 1 zA or less.
すなわち、トランジスタ237として、OSトランジスタを用いることで、トランジスタ237をオフ状態とした時にノード219の電位を安定して維持することができる。特に、FF回路の接続段数が増えると、ノード219の電位を、トランジスタ237をオフ状態として保持する時間が長くなるため、その効果が顕著となる。 That is, by using an OS transistor as the transistor 237, the potential of the node 219 can be stably maintained when the transistor 237 is turned off. In particular, when the number of connection stages of the FF circuit is increased, the time for holding the potential of the node 219 while the transistor 237 is turned off becomes longer, so that the effect becomes remarkable.
同様に、トランジスタ238として、OSトランジスタを用いることで、トランジスタ238をオフ状態とした時にノード220の電位を安定して維持することができる。 Similarly, by using an OS transistor as the transistor 238, the potential of the node 220 can be stably maintained when the transistor 238 is turned off.
図2(A)に示すFF回路251は、FF回路201と同様の回路構成を有し、OSトランジスタをトランジスタ237、及びトランジスタ238のみでなく、トランジスタ233、及びトランジスタ236にも用いたFF回路である。なお、トランジスタ232や、トランジスタ235にOSトランジスタを用いてもよい。 An FF circuit 251 illustrated in FIG. 2A has a circuit configuration similar to that of the FF circuit 201 and is an FF circuit in which an OS transistor is used not only for the transistor 237 and the transistor 238 but also for the transistor 233 and the transistor 236. is there. Note that an OS transistor may be used as the transistor 232 or the transistor 235.
トランジスタ232、及びトランジスタ233のどちらか一方もしくは両方にOSトランジスタを用いることで、トランジスタ231をオン状態としてノード217をH電位とする際に、ノード217の電荷がノード223へ漏れ出すことを防ぎ、効率よく電荷の供給を行うことができる。よって、消費電力を低減することが可能となる。 By using an OS transistor for one or both of the transistor 232 and the transistor 233, when the transistor 231 is turned on and the node 217 is set to the H potential, the charge of the node 217 is prevented from leaking to the node 223. Charge can be supplied efficiently. Therefore, power consumption can be reduced.
また、FF回路の接続段数が増えると、ノード217にH電位が保持される時間も長くなる。このため、トランジスタ232、及びトランジスタ233のどちらか一方もしくは両方に、OSトランジスタを用いることで、ノード217の電位を安定して維持することができる。特に、トランジスタ233は、オフ状態となる時間がトランジスタ232よりも長いため、トランジスタ233にOSトランジスタを用いることが好ましい。 Further, when the number of connection stages of the FF circuit is increased, the time during which the H potential is held at the node 217 also increases. Therefore, by using an OS transistor for one or both of the transistor 232 and the transistor 233, the potential of the node 217 can be stably maintained. In particular, since the transistor 233 is off for a longer time than the transistor 232, an OS transistor is preferably used as the transistor 233.
また、トランジスタ235、及びトランジスタ236のどちらか一方もしくは両方に、OSトランジスタを用いることで、トランジスタ234をオン状態としてノード212をH電位とする際に、ノード212の電荷がノード223へ漏れ出すことを防ぎ、効率よく電荷の供給を行うことができる。よって、消費電力を低減することが可能となる。 In addition, when an OS transistor is used for either or both of the transistor 235 and the transistor 236, when the transistor 234 is turned on and the node 212 is set to the H potential, the charge of the node 212 leaks to the node 223. Thus, charge can be supplied efficiently. Therefore, power consumption can be reduced.
また、トランジスタ235、及びトランジスタ236のどちらか一方もしくは両方に、OSトランジスタを用いることで、ノード212の電位を安定して維持することができる。特に、トランジスタ236は、オフ状態となる時間がトランジスタ235よりも長いため、トランジスタ236にOSトランジスタを用いることが好ましい。 In addition, by using an OS transistor for one or both of the transistor 235 and the transistor 236, the potential of the node 212 can be stably maintained. In particular, since the transistor 236 is off for a longer time than the transistor 235, an OS transistor is preferably used as the transistor 236.
また、図2(B)および図2(C)は、インバータを構成するトランジスタに、OSトランジスタを用いた回路図である。インバータを構成するトランジスタに、OSトランジスタを用いることで、消費電力をより低減することが可能となる。 2B and 2C are circuit diagrams in which an OS transistor is used as a transistor included in the inverter. By using an OS transistor as a transistor constituting the inverter, power consumption can be further reduced.
半導体装置が有するトランジスタに、OSトランジスタを用いることで、動作が安定し、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。また、消費電力が低減された半導体装置を実現することができる。 By using an OS transistor as a transistor included in the semiconductor device, a semiconductor device with stable operation and high reliability can be realized. In addition, a semiconductor device with reduced power consumption can be realized.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.
(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1で説明したFF回路201と異なる構成を有するFF回路261について説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an FF circuit 261 having a structure different from that of the FF circuit 201 described in Embodiment 1 is described.
図7は、FF回路261の構成を示す回路図である。FF回路261は、実施の形態1で説明したFF回路201のノード212及びノード217に、容量素子252及び容量素子253を付加した構成を有する。 FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of the FF circuit 261. The FF circuit 261 has a structure in which a capacitor 252 and a capacitor 253 are added to the node 212 and the node 217 of the FF circuit 201 described in Embodiment 1.
FF回路261が有する容量素子252の一方の電極はノード212に電気的に接続され、他方の電極は共通電位が供給される共通電極に電気的に接続されている。また、容量素子253の一方の電極はノード217に電気的に接続され、他方の電極は共通電位が供給される共通電極に電気的に接続されている。 One electrode of the capacitor 252 included in the FF circuit 261 is electrically connected to the node 212, and the other electrode is electrically connected to a common electrode to which a common potential is supplied. In addition, one electrode of the capacitor 253 is electrically connected to the node 217, and the other electrode is electrically connected to a common electrode to which a common potential is supplied.
ここでは、容量素子252及び容量素子253の他方の電極に、共通電位が供給される例について示しているが、該電極に供給される電位は固定電位であればよく、VDDやVSSでもよく、それぞれが異なる電位であってもよい。 Here, an example in which a common potential is supplied to the other electrode of the capacitor 252 and the capacitor 253 is described; however, the potential supplied to the electrode may be a fixed potential, and may be VDD or VSS. Each may have a different potential.
容量素子252及び容量素子253を付加することにより、ノード212及びノード217がフローティング状態となった時も、ノード212及びノード217の電位をより安定して維持することが可能となる。よって、半導体装置の信頼性をさらに高めることができる。 By adding the capacitor 252 and the capacitor 253, the potential of the node 212 and the node 217 can be more stably maintained even when the node 212 and the node 217 are in a floating state. Therefore, the reliability of the semiconductor device can be further improved.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.
(実施の形態3)
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した分周回路200と異なる構成を有する分周回路300について説明する。図8(A)は、分周回路300の構成を示すブロック図であり、FF回路301乃至FF回路303が、3段直列に接続されている。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a divider circuit 300 having a structure different from that of the divider circuit 200 described in the above embodiment is described. FIG. 8A is a block diagram illustrating a configuration of the frequency divider circuit 300, in which three stages of FF circuits 301 to 303 are connected in series.
FF回路301乃至FF回路303は、それぞれ、クロック信号入力部CK、クロックバー信号入力部CKバー、入力部D、出力部Q、及び出力部Qバーを有している。FF回路301は、クロック信号入力部CKが端子部311と電気的に接続されている。 Each of the FF circuits 301 to 303 includes a clock signal input unit CK, a clock bar signal input unit CK bar, an input unit D, an output unit Q, and an output unit Q bar. In the FF circuit 301, the clock signal input unit CK is electrically connected to the terminal unit 311.
端子部311には、特定の周波数を有するクロック信号CLKが入力される。端子部311に入力されたクロック信号CLKは、クロック信号入力部CKを介してFF回路301に入力される。また、端子部311はインバータ341を介してクロックバー信号入力部CKバーと接続されている。端子部311にクロック信号CLKが入力されると、インバータ341からクロック信号CLKの反転信号であるクロックバー信号CLKBが出力される。クロックバー信号CLKBは、クロックバー信号入力部CKバーを介してFF回路301に入力される。 A clock signal CLK having a specific frequency is input to the terminal portion 311. The clock signal CLK input to the terminal unit 311 is input to the FF circuit 301 via the clock signal input unit CK. The terminal unit 311 is connected to the clock bar signal input unit CK bar via the inverter 341. When the clock signal CLK is input to the terminal portion 311, a clock bar signal CLKB that is an inverted signal of the clock signal CLK is output from the inverter 341. The clock bar signal CLKB is input to the FF circuit 301 via the clock bar signal input unit CK bar.
FF回路301の出力部Qは、ノード312を介して、FF回路302のクロック信号入力部CKに電気的に接続されている。また、FF回路301の出力部Qバーは、FF回路301の入力部D及びFF回路302のクロックバー信号入力部CKバーと電気的に接続されている。 The output unit Q of the FF circuit 301 is electrically connected to the clock signal input unit CK of the FF circuit 302 via the node 312. The output part Q bar of the FF circuit 301 is electrically connected to the input part D of the FF circuit 301 and the clock bar signal input part CK bar of the FF circuit 302.
FF回路302の出力部Qは、ノード313を介して、FF回路303のクロック信号入力部CKに電気的に接続されている。また、FF回路302の出力部Qバーは、FF回路302の入力部D及びFF回路303のクロックバー信号入力部CKバーと電気的に接続されている。FF回路303の出力部Qは、端子部314と電気的に接続されている。FF回路303の出力部Qバーは、FF回路303の入力部Dと電気的に接続されている。 The output unit Q of the FF circuit 302 is electrically connected to the clock signal input unit CK of the FF circuit 303 via the node 313. The output part Q bar of the FF circuit 302 is electrically connected to the input part D of the FF circuit 302 and the clock bar signal input part CK bar of the FF circuit 303. The output part Q of the FF circuit 303 is electrically connected to the terminal part 314. The output part Q bar of the FF circuit 303 is electrically connected to the input part D of the FF circuit 303.
図8(B)は、FF回路301の構成を示す回路図である。 FIG. 8B is a circuit diagram illustrating a configuration of the FF circuit 301.
図8(B)に示すノード316がクロック信号入力部CKに相当する。また、ノード315がクロックバー信号入力部CKバーに相当する。FF回路301は、図1(B)に示したFF回路201からインバータ221を省略し、外部からクロックバー信号CLKBを入力する点が異なる。なお、二段目以降のFF回路には、前段のFF回路の出力部Qバーから出力される信号をクロックバー信号CLKBとして用いることができる。 A node 316 illustrated in FIG. 8B corresponds to the clock signal input portion CK. The node 315 corresponds to the clock bar signal input unit CK bar. The FF circuit 301 is different from the FF circuit 201 illustrated in FIG. 1B in that the inverter 221 is omitted and the clock bar signal CLKB is input from the outside. In the second and subsequent FF circuits, a signal output from the output section Q bar of the preceding FF circuit can be used as the clock bar signal CLKB.
FF回路301では、インバータ221を形成しないため、FF回路201に比べて占有面積を小さくすることができる。すなわち、分周回路300は、分周回路200よりも占有面積を小さくすることができる。なお、その他の回路構成や動作方法は、FF回路201と同様とすることができるため、その説明は割愛する。 In the FF circuit 301, since the inverter 221 is not formed, the occupied area can be reduced as compared with the FF circuit 201. That is, the frequency dividing circuit 300 can occupy a smaller area than the frequency dividing circuit 200. Since other circuit configurations and operation methods can be the same as those of the FF circuit 201, the description thereof is omitted.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.
(実施の形態4)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の一つである、CPUの構成について説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, a structure of a CPU that is one of semiconductor devices according to one embodiment of the present invention will be described.
図11に、本実施の形態のCPUの構成を示す。図11に示すCPUは、基板9900上に、ALU9901、ALU・Controller9902、Instruction・Decoder9903、Interrupt・Controller9904、Timing・Controller9905、Register9906、Register・Controller9907、Bus・I/F9908、書き換え可能なROM9909、ROM・I/F9920と、を主に有している。なお、ALUはArithmetic logic unitであり、Bus・I/Fはバスインターフェースであり、ROM・I/FはROMインターフェースである。ROM9909及びROM・I/F9920は、別チップに設けても良い。勿論、図11に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。 FIG. 11 shows the configuration of the CPU of this embodiment. The CPUs shown in FIG. / F9920. The ALU is an Arithmetic logic unit, the Bus / I / F is a bus interface, and the ROM / I / F is a ROM interface. The ROM 9909 and the ROM • I / F9920 may be provided in separate chips. Needless to say, the CPU illustrated in FIG. 11 is just an example in which the configuration is simplified, and an actual CPU may have various configurations depending on the application.
Bus・I/F9908を介してCPUに入力された命令は、Instruction・Decoder9903に入力され、デコードされた後、ALU・Controller9902、Interrupt・Controller9904、Register・Controller9907、Timing・Controller9905に入力される。 Instructions input to the CPU via the Bus I / F 9908 are input to the Instruction Decoder 9903, decoded, and then input to the ALU Controller 9902, Interrupt Controller 9904, Register Controller 9907, and Timer Control 9905.
ALU・Controller9902、Interrupt・Controller9904、Register・Controller9907、Timing・Controller9905は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にALU・Controller9902は、ALU9901の動作を制御するための信号を生成する。また、Interrupt・Controller9904は、CPUのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。Register・Controller9907は、Register9906のアドレスを生成し、CPUの状態に応じてRegister9906の読み出しや書き込みを行なう。 The ALU / Controller 9902, the Interrupt / Controller 9904, the Register / Controller 9907, and the Timing / Controller 9905 perform various controls based on the decoded instructions. Specifically, the ALU / Controller 9902 generates a signal for controlling the operation of the ALU 9901. The Interrupt Controller 9904 determines and processes an interrupt request from an external input / output device or a peripheral circuit from the priority or mask state during execution of the CPU program. The Register Controller 9907 generates an address of the Register 9906, and reads and writes the Register 9906 according to the state of the CPU.
またTiming・Controller9905は上記実施の形態で示した構成を有する分周回路を含み、ALU9901、ALU・Controller9902、Instruction・Decoder9903、Interrupt・Controller9904、Register・Controller9907の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばTiming・Controller9905は、基準クロック信号CLK1を元に、内部クロック信号CLK2を生成する内部クロック生成部(分周回路)を備えており、クロック信号CLK2を上記各種回路に入力する。 The Timing Controller 9905 includes the frequency dividing circuit having the configuration described in the above embodiment, and generates operation signals for the ALU 9901, ALU Controller 9902, Instruction Decoder 9903, Interrupt Controller 9904, and Register Controller 9907. For example, the Timing Controller 9905 includes an internal clock generation unit (frequency divider circuit) that generates an internal clock signal CLK2 based on the reference clock signal CLK1, and inputs the clock signal CLK2 to the various circuits.
CPUの構成に、上記実施の形態で示した分周回路を用いることで、CPUの占有面積を小さくすることが可能となり、消費電力の低減を行うことができる。 By using the divider circuit described in the above embodiment for the structure of the CPU, the area occupied by the CPU can be reduced, and power consumption can be reduced.
本実施の形態では、CPUを例に挙げて説明したが、本発明の分周回路はCPUに限定されず、マイクロプロセッサ、画像処理回路、DSP、FPGA等のLSIにも応用可能である。 In this embodiment, the CPU has been described as an example. However, the divider circuit of the present invention is not limited to the CPU, and can be applied to LSIs such as a microprocessor, an image processing circuit, a DSP, and an FPGA.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.
(実施の形態5)
本実施の形態では、OSトランジスタと、チャネルが形成される半導体層にシリコンを用いたトランジスタとを例に挙げて、上記実施の形態に示したFF回路に適用可能なトランジスタの構成と作製方法について、図12乃至図15に示す断面図を用いて説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, an example of an OS transistor and a transistor in which silicon is used for a semiconductor layer in which a channel is formed is used as an example, and a structure and a manufacturing method of a transistor that can be applied to the FF circuit described in the above embodiment. This will be described with reference to cross-sectional views shown in FIGS.
図12(A)に示すように、基板700上に絶縁膜701と、単結晶の半導体基板から分離された半導体膜702とを形成する。 As shown in FIG. 12A, an insulating film 701 and a semiconductor film 702 separated from a single crystal semiconductor substrate are formed over a substrate 700.
基板700として使用することができる素材に大きな制限はないが、少なくとも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、基板700には、フュージョン法やフロート法で作製されるガラス基板、石英基板、半導体基板、セラミック基板等を用いることができる。ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には、歪み点が730℃以上のものを用いると良い。 There is no particular limitation on a material that can be used as the substrate 700 as long as it has heat resistance enough to withstand heat treatment performed later. For example, as the substrate 700, a glass substrate, a quartz substrate, a semiconductor substrate, a ceramic substrate, or the like manufactured by a fusion method or a float method can be used. As the glass substrate, a glass substrate having a strain point of 730 ° C. or higher is preferably used when the temperature of the subsequent heat treatment is high.
また、本実施の形態では、半導体膜702が単結晶のシリコンである場合を例に挙げて、説明するが、半導体膜702には非晶質半導体や、単結晶半導体、多結晶半導体、微結晶半導体などの結晶性半導体等を用いることができる。半導体材料としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を挙げることができる。 In this embodiment, the case where the semiconductor film 702 is single crystal silicon is described as an example; however, the semiconductor film 702 includes an amorphous semiconductor, a single crystal semiconductor, a polycrystalline semiconductor, a microcrystal, and the like. A crystalline semiconductor such as a semiconductor can be used. Examples of the semiconductor material include silicon, germanium, silicon germanium, silicon carbide, and gallium arsenide.
以下、トランジスタ732の作製方法について説明する。なお、具体的な単結晶の半導体膜702の作製方法の一例について、簡単に説明する。まず、単結晶の半導体基板であるボンド基板に、電界で加速されたイオンでなるイオンビームを注入し、ボンド基板の表面から一定の深さの領域に、結晶構造が乱されることで局所的に脆弱化された脆化層を形成する。脆化層が形成される領域の深さは、イオンビームの加速エネルギーとイオンビームの入射角によって調節することができる。そして、ボンド基板と、絶縁膜701が形成された基板700とを、間に当該絶縁膜701が挟まるように貼り合わせる。貼り合わせは、ボンド基板と基板700とを重ね合わせた後、ボンド基板と基板700の一部に、1N/cm2以上500N/cm2以下、好ましくは11N/cm2以上20N/cm2以下程度の圧力を加える。圧力を加えると、その部分からボンド基板と絶縁膜701とが接合を開始し、最終的には密着した面全体に接合がおよぶ。次いで、加熱処理を行うことで、脆化層に存在する微小ボイドどうしが結合して、微小ボイドの体積が増大する。その結果、脆化層においてボンド基板の一部である単結晶半導体膜が、ボンド基板から分離する。上記加熱処理の温度は、基板700の歪み点を越えない温度とする。そして、上記単結晶半導体膜をエッチング等により所望の形状に加工することで、半導体膜702を形成することができる。 Hereinafter, a method for manufacturing the transistor 732 is described. Note that a specific example of a method for manufacturing the single crystal semiconductor film 702 is briefly described. First, an ion beam made of ions accelerated by an electric field is injected into a bond substrate, which is a single-crystal semiconductor substrate, and the crystal structure is disturbed locally from the surface of the bond substrate to a region at a certain depth. An embrittled layer that is weakened is formed. The depth of the region where the embrittlement layer is formed can be adjusted by the acceleration energy of the ion beam and the incident angle of the ion beam. Then, the bond substrate and the substrate 700 over which the insulating film 701 is formed are attached to each other so that the insulating film 701 is sandwiched therebetween. In the bonding, after the bond substrate and the substrate 700 are overlapped, a part of the bond substrate and the substrate 700 is 1 N / cm 2 or more and 500 N / cm 2 or less, preferably 11 N / cm 2 or more and 20 N / cm 2 or less. Apply pressure. When pressure is applied, the bond substrate and the insulating film 701 start bonding from that portion, and finally, the bonding reaches the entire adhered surface. Next, by performing heat treatment, the microvoids existing in the embrittled layer are combined with each other, and the volume of the microvoids is increased. As a result, the single crystal semiconductor film which is part of the bond substrate in the embrittlement layer is separated from the bond substrate. The temperature of the heat treatment is set so as not to exceed the strain point of the substrate 700. Then, the semiconductor film 702 can be formed by processing the single crystal semiconductor film into a desired shape by etching or the like.
半導体膜702には、しきい値電圧を制御するために、硼素、アルミニウム、ガリウムなどのp型の導電性を付与する不純物元素、若しくはリン、砒素などのn型の導電性を付与する不純物元素を添加しても良い。しきい値電圧を制御するための不純物元素の添加は、所定の形状にエッチング加工する前の半導体膜に対して行っても良いし、所定の形状にエッチング加工した後の半導体膜702に対して行っても良い。また、しきい値電圧を制御するための不純物元素の添加を、ボンド基板に対して行っても良い。若しくは、不純物元素の添加を、しきい値電圧を大まかに調整するためにボンド基板に対して行った上で、しきい値電圧を微調整するために、所定の形状にエッチング加工する前の半導体膜に対して、又は所定の形状にエッチング加工した後の半導体膜702に対しても行っても良い。 In order to control the threshold voltage, the semiconductor film 702 includes an impurity element imparting p-type conductivity such as boron, aluminum, or gallium, or an impurity element imparting n-type conductivity such as phosphorus or arsenic. May be added. The impurity element for controlling the threshold voltage may be added to the semiconductor film before being etched into a predetermined shape, or to the semiconductor film 702 after being etched into a predetermined shape. You can go. Further, an impurity element for controlling the threshold voltage may be added to the bond substrate. Alternatively, after adding an impurity element to the bond substrate to roughly adjust the threshold voltage, the semiconductor before etching into a predetermined shape to finely adjust the threshold voltage You may perform also with respect to the film | membrane or the semiconductor film 702 after etching into a predetermined shape.
なお、本実施の形態では、単結晶の半導体膜を用いる例について説明しているが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、絶縁膜701上に気相成長法を用いて形成された多結晶、微結晶、非晶質の半導体膜を用いても良いし、上記半導体膜を公知の技術により結晶化しても良い。公知の結晶化方法としては、レーザ光を用いたレーザ結晶化法、触媒元素を用いる結晶化法がある。或いは、触媒元素を用いる結晶化法とレーザ結晶化法とを組み合わせて用いることもできる。また、石英のような耐熱性に優れている基板を用いる場合、電熱炉を使用した熱結晶化方法、赤外光を用いたランプ加熱結晶化法、触媒元素を用いる結晶化法、950℃程度の高温加熱法を組み合わせた結晶化法を用いても良い。 Note that although an example in which a single crystal semiconductor film is used is described in this embodiment, the present invention is not limited to this structure. For example, a polycrystalline, microcrystalline, or amorphous semiconductor film formed over the insulating film 701 by using a vapor deposition method may be used, or the semiconductor film may be crystallized by a known technique. Known crystallization methods include a laser crystallization method using laser light and a crystallization method using a catalytic element. Alternatively, a crystallization method using a catalytic element and a laser crystallization method can be used in combination. Also, when using a substrate having excellent heat resistance such as quartz, a thermal crystallization method using an electric furnace, a lamp heating crystallization method using infrared light, a crystallization method using a catalytic element, about 950 ° C. Alternatively, a crystallization method combining the high-temperature heating methods may be used.
次に、図12(B)に示すように、半導体膜702上にゲート絶縁膜703を形成した後、ゲート絶縁膜703上にマスク705を形成し、導電性を付与する不純物元素を半導体膜702の一部に添加することで、不純物領域704を形成する。 Next, as illustrated in FIG. 12B, after a gate insulating film 703 is formed over the semiconductor film 702, a mask 705 is formed over the gate insulating film 703, and an impurity element imparting conductivity is added to the semiconductor film 702. By adding to a part of the impurity region, the impurity region 704 is formed.
ゲート絶縁膜703は、高密度プラズマ処理、熱処理などを行うことにより半導体膜702の表面を酸化又は窒化することで形成することができる。高密度プラズマ処理は、例えばHe、Ar、Kr、Xeなどの希ガスと酸素、酸化窒素、アンモニア、窒素、水素などの混合ガスとを用いて行う。この場合、プラズマの励起をマイクロ波の導入により行うことで、低電子温度で高密度のプラズマを生成することができる。このような高密度のプラズマで生成された酸素ラジカル(OHラジカルを含む場合もある)や窒素ラジカル(NHラジカルを含む場合もある)によって、半導体膜の表面を酸化又は窒化することにより、1〜20nm、望ましくは5〜10nmの絶縁膜が半導体膜に接するように形成できる。例えば、亜酸化窒素(N2O)をArで1〜3倍(流量比)に希釈して、10〜30Paの圧力にて3〜5kWのマイクロ波(2.45GHz)電力を印加して半導体膜702の表面を酸化若しくは窒化させる。この処理により1nm〜10nm(好ましくは2nm〜6nm)の絶縁膜を形成する。更に亜酸化窒素(N2O)とシラン(SiH4)を導入し、10〜30Paの圧力にて3〜5kWのマイクロ波(2.45GHz)電力を印加して気相成長法により酸化窒化珪素膜を形成してゲート絶縁膜を形成する。固相反応と気相成長法による反応を組み合わせることにより界面準位密度が低く絶縁耐圧の優れたゲート絶縁膜を形成することができる。 The gate insulating film 703 can be formed by oxidizing or nitriding the surface of the semiconductor film 702 by performing high-density plasma treatment, heat treatment, or the like. The high-density plasma treatment is performed using, for example, a rare gas such as He, Ar, Kr, or Xe and a mixed gas such as oxygen, nitrogen oxide, ammonia, nitrogen, or hydrogen. In this case, high-density plasma can be generated at a low electron temperature by exciting the plasma by introducing a microwave. By oxidizing or nitriding the surface of the semiconductor film with oxygen radicals (which may include OH radicals) or nitrogen radicals (which may include NH radicals) generated by such high-density plasma, An insulating film having a thickness of 20 nm, preferably 5 to 10 nm can be formed in contact with the semiconductor film. For example, nitrous oxide (N 2 O) is diluted 1 to 3 times (flow rate ratio) with Ar, and 3 to 5 kW microwave (2.45 GHz) power is applied at a pressure of 10 to 30 Pa to apply a semiconductor. The surface of the film 702 is oxidized or nitrided. By this treatment, an insulating film having a thickness of 1 nm to 10 nm (preferably 2 nm to 6 nm) is formed. Further, nitrous oxide (N 2 O) and silane (SiH 4 ) are introduced, and 3-5 kW microwave (2.45 GHz) power is applied at a pressure of 10-30 Pa, and silicon oxynitride is formed by vapor phase growth. A film is formed to form a gate insulating film. A gate insulating film having a low interface state density and an excellent withstand voltage can be formed by combining a solid phase reaction and a reaction by a vapor deposition method.
上述した高密度プラズマ処理による半導体膜の酸化又は窒化は固相反応で進むため、ゲート絶縁膜703と半導体膜702との界面準位密度を極めて低くすることができる。また高密度プラズマ処理により半導体膜702を直接酸化又は窒化することで、形成される絶縁膜の厚さのばらつきを抑えることができる。また半導体膜が結晶性を有する場合、高密度プラズマ処理を用いて半導体膜の表面を固相反応で酸化させることにより、結晶粒界においてのみ酸化が速く進んでしまうのを抑え、均一性が良く、界面準位密度の低いゲート絶縁膜を形成することができる。高密度プラズマ処理により形成された絶縁膜を、ゲート絶縁膜の一部又は全部に含んで形成されるトランジスタは、特性のばらつきを抑えることができる。 Since the oxidation or nitridation of the semiconductor film by the high-density plasma treatment described above proceeds by a solid phase reaction, the interface state density between the gate insulating film 703 and the semiconductor film 702 can be extremely low. Further, by directly oxidizing or nitriding the semiconductor film 702 by high-density plasma treatment, variation in thickness of the insulating film to be formed can be suppressed. Also, when the semiconductor film has crystallinity, the surface of the semiconductor film is oxidized by solid phase reaction using high-density plasma treatment, so that the rapid oxidation only at the crystal grain boundary is suppressed and the uniformity is good. A gate insulating film having a low interface state density can be formed. A transistor formed by including an insulating film formed by high-density plasma treatment in part or all of a gate insulating film can suppress variation in characteristics.
また、プラズマCVD法又はスパッタリング法などを用い、酸化珪素、窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化セシウム、酸化タンタル、酸化マグネシウム、酸化ハフニウム、ハフニウムシリケート(HfSixOy(x>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSixOy(x>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムアルミネート(HfAlxOy(x>0、y>0))等を含む膜を、単層で、又は積層させることで、ゲート絶縁膜703を形成しても良い。 Further, using a plasma CVD method or a sputtering method, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride oxide, silicon oxynitride, aluminum oxide, aluminum nitride, zirconium oxide, yttrium oxide, lanthanum oxide, cesium oxide, tantalum oxide, magnesium oxide, Hafnium oxide, hafnium silicate (HfSi x O y (x> 0, y> 0)), nitrogen-added hafnium silicate (HfSi x O y (x> 0, y> 0)), nitrogen-added hafnium The gate insulating film 703 may be formed by a single layer or a stack of films including aluminate (HfAl x O y (x> 0, y> 0)) or the like.
なお、本明細書において酸化窒化物とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い物質であり、また、窒化酸化物とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い物質を意味する。 Note that in this specification, oxynitride is a substance having a higher oxygen content than nitrogen in the composition, and nitride oxide has a nitrogen content higher than oxygen in the composition. Means a substance.
ゲート絶縁膜703の厚さは、例えば、1nm以上100nm以下、好ましくは10nm以上50nm以下とすることができる。本実施の形態では、プラズマCVD法を用いて、酸化珪素を含む単層の絶縁膜を、ゲート絶縁膜703として用いる。 The thickness of the gate insulating film 703 can be, for example, 1 nm to 100 nm, preferably 10 nm to 50 nm. In this embodiment, a single-layer insulating film containing silicon oxide is used as the gate insulating film 703 by a plasma CVD method.
次いで、マスク705を除去した後、図12(C)に示すように、ゲート絶縁膜703の一部を除去して、不純物領域704と重畳する領域にエッチング等により開口部706を形成した後、ゲート電極707及び導電膜708を形成する。 Next, after removing the mask 705, as shown in FIG. 12C, after removing part of the gate insulating film 703 and forming an opening 706 in a region overlapping with the impurity region 704 by etching or the like, A gate electrode 707 and a conductive film 708 are formed.
ゲート電極707及び導電膜708は、開口部706を覆うように導電膜を形成した後、該導電膜を所定の形状に加工することで、形成することができる。導電膜708は、開口部706において不純物領域704と接している。上記導電膜の形成にはCVD法、スパッタリング法、蒸着法、スピンコート法等を用いることができる。また、導電膜は、タンタル(Ta)、タングステン(W)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、クロム(Cr)、ニオブ(Nb)、マグネシウム(Mg)等を用いることができる。上記金属を主成分とする合金を用いても良いし、上記金属を含む化合物を用いても良い。又は、半導体膜に導電性を付与するリン等の不純物元素をドーピングした、多結晶珪素などの半導体を用いて形成しても良い。 The gate electrode 707 and the conductive film 708 can be formed by forming a conductive film so as to cover the opening 706 and then processing the conductive film into a predetermined shape. The conductive film 708 is in contact with the impurity region 704 in the opening 706. For the formation of the conductive film, a CVD method, a sputtering method, a vapor deposition method, a spin coating method, or the like can be used. The conductive film is made of tantalum (Ta), tungsten (W), titanium (Ti), molybdenum (Mo), aluminum (Al), copper (Cu), chromium (Cr), niobium (Nb), magnesium (Mg). Etc. can be used. An alloy containing the above metal as a main component may be used, or a compound containing the above metal may be used. Alternatively, the semiconductor film may be formed using a semiconductor such as polycrystalline silicon doped with an impurity element such as phosphorus which imparts conductivity.
なお、本実施の形態ではゲート電極707及び導電膜708を単層の導電膜で形成しているが、本実施の形態はこの構成に限定されない。ゲート電極707及び導電膜708は積層された複数の導電膜で形成されていても良い。 Note that although the gate electrode 707 and the conductive film 708 are formed using a single-layer conductive film in this embodiment, this embodiment is not limited to this structure. The gate electrode 707 and the conductive film 708 may be formed using a plurality of stacked conductive films.
2つの導電膜の組み合わせとして、1層目に窒化タンタル又はタンタルを、2層目にタングステンを用いることができる。上記例の他に、窒化タングステンとタングステン、窒化モリブデンとモリブデン、アルミニウムとタンタル、アルミニウムとチタン等が挙げられる。タングステンや窒化タンタルは、耐熱性が高いため、2層の導電膜を形成した後の工程において、熱活性化を目的とした加熱処理を行うことができる。また、2層の導電膜の組み合わせとして、例えば、n型の導電性を付与する不純物元素がドーピングされた珪素とニッケルシリサイド、n型の導電性を付与する不純物元素がドーピングされた珪素とタングステンシリサイド等も用いることができる。 As a combination of the two conductive films, tantalum nitride or tantalum can be used for the first layer and tungsten can be used for the second layer. In addition to the above examples, tungsten nitride and tungsten, molybdenum nitride and molybdenum, aluminum and tantalum, aluminum and titanium, and the like can be given. Since tungsten and tantalum nitride have high heat resistance, heat treatment for thermal activation can be performed in the step after forming the two-layer conductive film. Further, as a combination of two conductive films, for example, silicon and nickel silicide doped with an impurity element imparting n-type conductivity, silicon and tungsten silicide doped with an impurity element imparting n-type conductivity Etc. can also be used.
3つの導電膜を積層する3層構造の場合は、モリブデン膜とアルミニウム膜とモリブデン膜の積層構造を採用するとよい。 In the case of a three-layer structure in which three conductive films are stacked, a stacked structure of a molybdenum film, an aluminum film, and a molybdenum film is preferably employed.
また、ゲート電極707及び導電膜708に酸化インジウム、酸化インジウム酸化スズ混合物、酸化インジウム酸化亜鉛混合物、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム、又は酸化亜鉛ガリウム等の透光性を有する酸化物導電膜を用いることもできる。 In addition, a light-transmitting oxide such as indium oxide, indium tin oxide mixture, indium zinc oxide mixture, zinc oxide, zinc aluminum oxide, zinc aluminum oxynitride, or zinc gallium oxide is formed over the gate electrode 707 and the conductive film 708. A conductive film can also be used.
なお、マスクを用いずに、液滴吐出法を用いて選択的にゲート電極707及び導電膜708を形成しても良い。液滴吐出法とは、所定の組成物を含む液滴を細孔から吐出又は噴出することで所定のパターンを形成する方法を意味し、インクジェット法などがその範疇に含まれる。 Note that the gate electrode 707 and the conductive film 708 may be selectively formed by a droplet discharge method without using a mask. The droplet discharge method means a method of forming a predetermined pattern by discharging or ejecting droplets containing a predetermined composition from the pores, and includes an ink jet method and the like in its category.
また、ゲート電極707及び導電膜708は、導電膜を形成後、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)を用いたドライエッチング法を用い、エッチング条件(コイル型の電極層に印加される電力量、基板側の電極層に印加される電力量、基板側の電極温度等)を適宜調節することにより、所望のテーパー形状を有するようにエッチングすることができる。また、テーパー形状は、マスクの形状によっても角度等を制御することができる。なお、エッチング用ガスとしては、塩素、塩化硼素、塩化珪素もしくは四塩化炭素などの塩素系ガス、四弗化炭素、弗化硫黄もしくは弗化窒素などのフッ素系ガス又は酸素を適宜用いることができる。 The gate electrode 707 and the conductive film 708 are formed by using a dry etching method using inductively coupled plasma (ICP) after forming the conductive film, and etching conditions (power applied to the coil-type electrode layer). By appropriately adjusting the amount, the amount of electric power applied to the electrode layer on the substrate side, the electrode temperature on the substrate side, etc., etching can be performed to have a desired tapered shape. Further, the taper shape can control the angle and the like depending on the shape of the mask. As an etching gas, a chlorine-based gas such as chlorine, boron chloride, silicon chloride, or carbon tetrachloride, a fluorine-based gas such as carbon tetrafluoride, sulfur fluoride, or nitrogen fluoride, or oxygen can be used as appropriate. .
次に、図12(D)に示すように、ゲート電極707及び導電膜708をマスクとして一導電性を付与する不純物元素を半導体膜702に添加することで、ゲート電極707と重なるチャネル形成領域710と、チャネル形成領域710を間に挟む一対の不純物領域709と、不純物領域704の一部に更に不純物元素が添加された不純物領域711とが、半導体膜702に形成される。 Next, as illustrated in FIG. 12D, an impurity element imparting one conductivity is added to the semiconductor film 702 using the gate electrode 707 and the conductive film 708 as masks, so that a channel formation region 710 overlapping with the gate electrode 707 is formed. A pair of impurity regions 709 sandwiching the channel formation region 710 and an impurity region 711 in which an impurity element is further added to part of the impurity region 704 are formed in the semiconductor film 702.
本実施の形態では、半導体膜702にp型を付与する不純物元素(例えばボロン)を添加する場合を例に挙げる。 In this embodiment, the case where an impurity element imparting p-type conductivity (eg, boron) is added to the semiconductor film 702 is described as an example.
次いで、図13(A)に示すように、ゲート絶縁膜703、ゲート電極707、導電膜708を覆うように、絶縁膜712、絶縁膜713を形成する。具体的には、絶縁膜712、絶縁膜713は、酸化珪素、窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化セシウム、酸化タンタル、または酸化マグネシウムなどの無機の絶縁膜を単層または積層して用いることができる。なお、絶縁膜712、絶縁膜713に誘電率の低い(low−k)材料を用いることで、各種電極や配線の重なりに起因する容量を十分に低減することが可能になる。なお、絶縁膜712、絶縁膜713に、上記材料を用いた多孔性の絶縁膜を適用してもよい。多孔性の絶縁膜では、密度の高い絶縁膜と比較して誘電率が低下するため、電極や配線に起因する寄生容量を更に低減することが可能である。 Next, as illustrated in FIG. 13A, an insulating film 712 and an insulating film 713 are formed so as to cover the gate insulating film 703, the gate electrode 707, and the conductive film 708. Specifically, the insulating films 712 and 713 include silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride oxide, silicon oxynitride, aluminum nitride, aluminum oxide, aluminum nitride oxide, aluminum oxynitride, hafnium oxide, zirconium oxide, and yttrium oxide. A single layer or a stack of inorganic insulating films such as lanthanum oxide, cesium oxide, tantalum oxide, or magnesium oxide can be used. Note that the use of a low dielectric constant (low-k) material for the insulating films 712 and 713 enables a sufficient reduction in capacitance due to overlapping of various electrodes and wirings. Note that a porous insulating film using any of the above materials may be used for the insulating films 712 and 713. A porous insulating film has a lower dielectric constant than a high-density insulating film, so that parasitic capacitance caused by electrodes and wirings can be further reduced.
本実施の形態では、絶縁膜712として酸化窒化珪素、絶縁膜713として窒化酸化珪素を用いる場合を例に挙げる。また、本実施の形態では、ゲート電極707及び導電膜708上に絶縁膜712、絶縁膜713を形成している場合を例示しているが、本発明はゲート電極707及び導電膜708上に絶縁膜を1層だけ形成していても良いし、3層以上の複数の絶縁膜を積層するように形成していても良い。 In this embodiment, the case where silicon oxynitride is used for the insulating film 712 and silicon nitride oxide is used for the insulating film 713 is described as an example. Further, although the case where the insulating film 712 and the insulating film 713 are formed over the gate electrode 707 and the conductive film 708 is illustrated in this embodiment mode, the present invention is insulated over the gate electrode 707 and the conductive film 708. Only one layer may be formed, or a plurality of three or more insulating films may be stacked.
次いで、図13(B)に示すように、絶縁膜712及び絶縁膜713にCMP(化学的機械研磨)処理やエッチング処理を行うことにより、ゲート電極707及び導電膜708の表面を露出させる。なお、後に形成されるトランジスタ731の特性を向上させるために、絶縁膜712、絶縁膜713の表面は可能な限り平坦にしておくことが好ましい。 Next, as illustrated in FIG. 13B, the surfaces of the gate electrode 707 and the conductive film 708 are exposed by performing CMP (chemical mechanical polishing) treatment or etching treatment on the insulating film 712 and the insulating film 713. Note that the surfaces of the insulating film 712 and the insulating film 713 are preferably as flat as possible in order to improve characteristics of the transistor 731 to be formed later.
以上の工程により、トランジスタ732を形成することができる。 Through the above steps, the transistor 732 can be formed.
次いで、トランジスタ731の作製方法について説明する。まず、図13(C)に示すように、絶縁膜712又は絶縁膜713上に酸化物半導体層716を形成する。 Next, a method for manufacturing the transistor 731 is described. First, as illustrated in FIG. 13C, the oxide semiconductor layer 716 is formed over the insulating film 712 or the insulating film 713.
酸化物半導体層716は、絶縁膜712及び絶縁膜713上に形成した酸化物半導体膜を所望の形状に加工することで、形成することができる。具体的には、酸化物半導体膜上にフォトリソグラフィ法やインクジェット法などの公知の技術を用いて、加工したいパターン形状に応じたレジストマスクを形成し、ドライエッチング法やウェットエッチング法などの公知の技術を用いて酸化物半導体膜の不要部分を選択的に除去して、酸化物半導体層716を形成すればよい。 The oxide semiconductor layer 716 can be formed by processing an oxide semiconductor film formed over the insulating film 712 and the insulating film 713 into a desired shape. Specifically, a resist mask corresponding to a pattern shape to be processed is formed on the oxide semiconductor film using a known technique such as a photolithography method or an inkjet method, and a known method such as a dry etching method or a wet etching method is formed. The oxide semiconductor layer 716 may be formed by selectively removing unnecessary portions of the oxide semiconductor film using a technique.
酸化物半導体膜はスパッタリング法、蒸着法、PCVD法、PLD法、ALD法またはMBE法などを用いて形成することができる。上記酸化物半導体膜の膜厚は、2nm以上200nm以下、好ましくは3nm以上50nm以下、更に好ましくは3nm以上20nm以下とする。 The oxide semiconductor film can be formed by a sputtering method, an evaporation method, a PCVD method, a PLD method, an ALD method, an MBE method, or the like. The thickness of the oxide semiconductor film is 2 nm to 200 nm, preferably 3 nm to 50 nm, more preferably 3 nm to 20 nm.
酸化物半導体膜をスパッタリング法により成膜する場合は、ターゲットとして例えばInとZnを含む金属酸化物を用いることができる。また、スパッタガスとして、希ガス(例えばアルゴン)、酸素、又は希ガスと酸素の混合ガスを用いることができる。スパッタガスとして希ガスと酸素の混合ガスを用いる場合は、酸素ガスの割合を30体積%以上、好ましくは50体積%以上、さらに好ましくは80体積%以上とする。なお、酸化物半導体膜は薄いほど、トランジスタの短チャネル効果が低減される。ただし、薄くしすぎると界面散乱の影響が強くなり、電界効果移動度の低下が起こることがある。 In the case where the oxide semiconductor film is formed by a sputtering method, for example, a metal oxide containing In and Zn can be used as a target. As a sputtering gas, a rare gas (eg, argon), oxygen, or a mixed gas of a rare gas and oxygen can be used. In the case where a mixed gas of a rare gas and oxygen is used as the sputtering gas, the oxygen gas ratio is set to 30% by volume or more, preferably 50% by volume or more, and more preferably 80% by volume or more. Note that as the oxide semiconductor film is thinner, the short channel effect of the transistor is reduced. However, if the thickness is too thin, the influence of interface scattering becomes strong, and field effect mobility may be lowered.
なお、酸化物半導体膜をスパッタリング法により成膜する前に、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、絶縁膜712及び絶縁膜713の表面に付着している塵埃を除去することが好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、アルゴン雰囲気下で基板側にRF電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどを用いてもよい。また、アルゴン雰囲気に酸素、亜酸化窒素などを加えた雰囲気で行ってもよい。また、アルゴン雰囲気に塩素、四フッ化炭素などを加えた雰囲気で行ってもよい。 Note that before the oxide semiconductor film is formed by a sputtering method, reverse sputtering that generates plasma by introducing argon gas is performed to remove dust attached to the surfaces of the insulating films 712 and 713. Is preferred. Reverse sputtering is a method of modifying the surface by forming a plasma near the substrate by applying a voltage using an RF power source on the substrate side in an argon atmosphere without applying a voltage to the target side. Note that nitrogen, helium, or the like may be used instead of the argon atmosphere. Alternatively, an argon atmosphere may be used in which oxygen, nitrous oxide, or the like is added. Alternatively, the reaction may be performed in an atmosphere in which chlorine, carbon tetrafluoride, or the like is added to an argon atmosphere.
酸化物半導体としては、少なくともインジウム(In)あるいは亜鉛(Zn)を含む材料を用いることが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム(Ga)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ(Sn)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム(Hf)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム(Al)を有することが好ましい。 As the oxide semiconductor, a material containing at least indium (In) or zinc (Zn) is preferably used. In addition, it is preferable that gallium (Ga) be included in addition to the stabilizer for reducing variation in electrical characteristics of the transistor including the oxide semiconductor. Moreover, it is preferable to have tin (Sn) as a stabilizer. Moreover, it is preferable to have hafnium (Hf) as a stabilizer. Moreover, it is preferable to have aluminum (Al) as a stabilizer.
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。 As other stabilizers, lanthanoids such as lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb) , Dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), or lutetium (Lu).
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるIn−Zn系酸化物、Sn−Zn系酸化物、Al−Zn系酸化物、Zn−Mg系酸化物、Sn−Mg系酸化物、In−Mg系酸化物、In−Ga系酸化物、三元系金属の酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al−Ga−Zn系酸化物、Sn−Al−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−La−Zn系酸化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−Zn系酸化物、In−Nd−Zn系酸化物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Zn系酸化物、In−Gd−Zn系酸化物、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系酸化物、In−Ho−Zn系酸化物、In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸化物、In−Yb−Zn系酸化物、In−Lu−Zn系酸化物、四元系金属の酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物を用いることができる。また、上記酸化物半導体にSiO2を含ませてもよい。 For example, as an oxide semiconductor, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, binary metal oxides such as In—Zn oxide, Sn—Zn oxide, Al—Zn oxide, Zn—Mg oxide Oxides, Sn—Mg oxides, In—Mg oxides, In—Ga oxides, In—Ga—Zn oxides (also referred to as IGZO) which are oxides of ternary metals, In— Al-Zn oxide, In-Sn-Zn oxide, Sn-Ga-Zn oxide, Al-Ga-Zn oxide, Sn-Al-Zn oxide, In-Hf-Zn oxide In-La-Zn-based oxide, In-Ce-Zn-based oxide, In-Pr-Zn-based oxide, In-Nd-Zn-based oxide, In-Sm-Zn-based oxide, In-Eu -Zn oxide, In-Gd-Zn oxide, In-Tb-Zn oxide, n-Dy-Zn-based oxide, In-Ho-Zn-based oxide, In-Er-Zn-based oxide, In-Tm-Zn-based oxide, In-Yb-Zn-based oxide, In-Lu-Zn -Based oxides, In-Sn-Ga-Zn-based oxides that are oxides of quaternary metals, In-Hf-Ga-Zn-based oxides, In-Al-Ga-Zn-based oxides, In-Sn- An Al—Zn-based oxide, an In—Sn—Hf—Zn-based oxide, or an In—Hf—Al—Zn-based oxide can be used. In addition, SiO 2 may be included in the oxide semiconductor.
なお、ここで、例えば、In−Ga−Zn系酸化物とは、InとGaとZnを主成分として有する酸化物という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、InとGaとZn以外の金属元素が入っていてもよい。 Note that here, for example, an In—Ga—Zn-based oxide means an oxide containing In, Ga, and Zn as its main components, and there is no limitation on the ratio of In, Ga, and Zn. Moreover, metal elements other than In, Ga, and Zn may be contained.
また、酸化物半導体として、InMO3(ZnO)m(m>0)で表記される材料を用いてもよい。なお、Mは、Sn、Zn、Ga、Fe、Mn及びCoから選ばれた一の金属元素または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、In2SnO5(ZnO)n(n>0)で表記される材料を用いてもよい。 Alternatively, a material represented by InMO 3 (ZnO) m (m> 0) may be used as the oxide semiconductor. Note that M represents one metal element or a plurality of metal elements selected from Sn, Zn, Ga, Fe, Mn, and Co. Alternatively, a material represented by In 2 SnO 5 (ZnO) n (n> 0) may be used as the oxide semiconductor.
例えば、In:Ga:Zn=1:1:1あるいはIn:Ga:Zn=2:2:1の原子数比のIn−Ga−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、In:Sn:Zn=1:1:1、In:Sn:Zn=2:1:3あるいはIn:Sn:Zn=2:1:5の原子数比のIn−Sn−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。 For example, an In—Ga—Zn-based oxide having an atomic ratio of In: Ga: Zn = 1: 1: 1 or In: Ga: Zn = 2: 2: 1 or an oxide in the vicinity of the composition is used. it can. Alternatively, In: Sn: Zn = 1: 1: 1, In: Sn: Zn = 2: 1: 3, or In: Sn: Zn = 2: 1: 5 atomic ratio In—Sn—Zn-based oxide Or an oxide in the vicinity of the composition may be used.
しかし、これらに限られず、必要とする半導体特性(電界効果移動度、しきい値、ばらつき等)に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間結合距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。 However, the composition is not limited thereto, and a material having an appropriate composition may be used depending on required semiconductor characteristics (field effect mobility, threshold value, variation, and the like). In order to obtain the required semiconductor characteristics, it is preferable that the carrier concentration, impurity concentration, defect density, atomic ratio of metal element to oxygen, interatomic bond distance, density, and the like are appropriate.
例えば、In−Sn−Zn系酸化物では比較的容易に高い電界効果移動度が得られる。しかしながら、In−Ga−Zn系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低減することにより電界効果移動度を上げることができる。 For example, high field-effect mobility can be obtained relatively easily with an In—Sn—Zn-based oxide. However, field-effect mobility can be increased by reducing the defect density in the bulk also in the case of using an In—Ga—Zn-based oxide.
なお、例えば、In、Ga、Znの原子数比がIn:Ga:Zn=a:b:c(a+b+c=1)である酸化物と、原子数比がIn:Ga:Zn=A:B:C(A+B+C=1)の酸化物の組成が近傍であるとは、a、b、cが、
(a―A)2+(b―B)2+(c―C)2≦r2
を満たすことを言う。rは、例えば、0.05とすればよい。他の酸化物でも同様である。
Note that, for example, an oxide having an atomic ratio of In, Ga, and Zn of In: Ga: Zn = a: b: c (a + b + c = 1) and an atomic ratio of In: Ga: Zn = A: B: When the composition of the oxide of C (A + B + C = 1) is in the vicinity, a, b, c are
(A−A) 2 + (b−B) 2 + (c−C) 2 ≦ r 2
Say to meet. For example, r may be 0.05. The same applies to other oxides.
また、酸化物半導体としてIn−Zn系酸化物を用いる場合、原子数比で、In/Zn=0.5〜50、好ましくはIn/Zn=1〜20、さらに好ましくはIn/Zn=1.5〜15とする。Znの原子数比を好ましい前記範囲とすることで、トランジスタの電界効果移動度を向上させることができる。ここで、化合物の原子数比がIn:Zn:O=X:Y:Zのとき、Z>1.5X+Yとする。 In the case where an In—Zn-based oxide is used as the oxide semiconductor, the atomic ratio is In / Zn = 0.5 to 50, preferably In / Zn = 1 to 20, and more preferably In / Zn = 1. 5-15. By setting the atomic ratio of Zn within the preferable range, the field effect mobility of the transistor can be improved. Here, when the atomic ratio of the compound is In: Zn: O = X: Y: Z, Z> 1.5X + Y.
本実施の形態では、In(インジウム)、Ga(ガリウム)、及びZn(亜鉛)を含む金属酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により得られる、膜厚30nmのIn−Ga−Zn系酸化物の薄膜を、酸化物半導体膜として用いる。上記ターゲットとして、例えば、各金属の組成比が、原子数比でIn:Ga:Zn=1:1:0.5、In:Ga:Zn=1:1:1、またはIn:Ga:Zn=1:1:2であるターゲットを用いることができる。また、酸化物半導体を形成するための金属酸化物ターゲットの相対密度は90%以上100%以下、好ましくは95%以上100%未満である。相対密度の高いターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。なお、In−Ga−Zn系酸化物は、IGZOと呼ぶことができる。 In this embodiment, a 30-nm-thick In—Ga—Zn-based oxide thin film obtained by a sputtering method using a metal oxide target containing In (indium), Ga (gallium), and Zn (zinc) Is used as an oxide semiconductor film. As the target, for example, the composition ratio of each metal is an atomic ratio of In: Ga: Zn = 1: 1: 0.5, In: Ga: Zn = 1: 1: 1, or In: Ga: Zn = A target that is 1: 1: 2 can be used. The relative density of the metal oxide target for forming the oxide semiconductor is 90% to 100%, preferably 95% to less than 100%. By using a target with high relative density, the formed oxide semiconductor film becomes a dense film. Note that the In—Ga—Zn-based oxide can be referred to as IGZO.
酸化物半導体膜としてIn−Sn−Zn系酸化物の薄膜を用いる場合は、In−Sn−Zn系酸化物をスパッタリング法で成膜するためのターゲットの組成比を、In:Sn:Znが原子数比で、1:2:2、2:1:3、1:1:1、または20:45:35などとすればよい。 In the case where an In—Sn—Zn-based oxide thin film is used as the oxide semiconductor film, a composition ratio of a target for forming an In—Sn—Zn-based oxide by a sputtering method is set such that In: Sn: Zn is an atom. The number ratio may be 1: 2: 2, 2: 1: 3, 1: 1: 1, 20:45:35, or the like.
なお、In(インジウム)、及びZn(亜鉛)を含むターゲットを用いて酸化物半導体膜を形成する場合、ターゲットの原子数比がIn/Znが0.5以上50以下、好ましくは1以上20以下、さらに好ましくは1.5以上15以下となるようにする。Znの比率を上記範囲に収めることで、電界効果移動度の向上を実現することができる。 Note that in the case where an oxide semiconductor film is formed using a target containing In (indium) and Zn (zinc), the atomic ratio of the target is In / Zn of 0.5 to 50, preferably 1 to 20 More preferably, it should be 1.5 or more and 15 or less. By keeping the ratio of Zn in the above range, it is possible to improve field effect mobility.
本実施の形態では、減圧状態に保持された成膜室内に基板を保持し、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて酸化物半導体膜を成膜する。スパッタガスは高純度化されたガスを用いることが好ましい。例えば、スパッタガスとしてアルゴンを用いる場合は、純度9N、露点−121℃、含有H2O量0.1ppb以下、含有H2量0.5ppb以下が好ましく、酸素を用いる場合は、純度8N、露点−112℃、含有H2O量1ppb以下、含有H2量1ppb以下が好ましい。 In this embodiment mode, a substrate is held in a deposition chamber that is kept under reduced pressure, a sputtering gas from which hydrogen and water have been removed is introduced while residual moisture in the deposition chamber is removed, and oxidation is performed using the target. A physical semiconductor film is formed. It is preferable to use a highly purified gas as the sputtering gas. For example, when argon is used as the sputtering gas, a purity of 9 N, a dew point of −121 ° C., a content of H 2 O of 0.1 ppb or less, and a content of H 2 of 0.5 ppb or less are preferable. -112 ° C., H 2 O containing amount 1ppb or less, preferably the content of H 2 1ppb.
酸化物半導体膜は、酸化物半導体の化学量論比に対し、酸素を過剰にすると好ましい。酸素を過剰にすることで酸化物半導体の酸素欠損に起因するキャリアの生成を抑制することができる。 In the oxide semiconductor film, oxygen is preferably excessive with respect to the stoichiometric ratio of the oxide semiconductor. When oxygen is excessive, generation of carriers due to oxygen vacancies in the oxide semiconductor can be suppressed.
成膜時に、基板温度を100℃以上600℃以下、好ましくは200℃以上400℃以下としても良い。基板を加熱しながら成膜することにより、成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物濃度を低減することができる。また、スパッタリングによる損傷が軽減される。成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて成膜室内のガスを排気すると、例えば、水素原子、水(H2O)など水素原子を含む化合物(より好ましくは炭素原子を含む化合物も)等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。 At the time of film formation, the substrate temperature may be 100 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, preferably 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. By forming the film while heating the substrate, the concentration of impurities contained in the formed oxide semiconductor film can be reduced. Further, damage due to sputtering is reduced. In order to remove moisture remaining in the deposition chamber, an adsorption-type vacuum pump is preferably used. For example, it is preferable to use a cryopump, an ion pump, or a titanium sublimation pump. The exhaust means may be a turbo pump provided with a cold trap. When the gas in the deposition chamber is exhausted using a cryopump, for example, a hydrogen atom, a compound containing a hydrogen atom such as water (H 2 O) (more preferably a compound containing a carbon atom), or the like is exhausted. The concentration of impurities contained in the oxide semiconductor film formed in the deposition chamber can be reduced.
成膜条件の一例としては、基板とターゲットの間との距離を100mm、圧力0.6Pa、直流(DC)電源0.5kW、スパッタガスとして酸素(酸素流量比率100%)を用いる条件が適用される。なお、パルス直流(DC)電源を用いると、成膜時に発生する塵埃が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。 As an example of the film formation conditions, the distance between the substrate and the target is 100 mm, the pressure is 0.6 Pa, the direct current (DC) power source is 0.5 kW, and oxygen is used as the sputtering gas (oxygen flow rate ratio: 100%). The Note that a pulse direct current (DC) power source is preferable because dust generated in film formation can be reduced and the film thickness can be made uniform.
また、スパッタリング装置の成膜室のリークレートを1×10−10Pa・m3/秒以下とすることで、スパッタリング法による成膜途中における酸化物半導体膜への、アルカリ金属、水素化物等の不純物の混入を低減することができる。また、排気系として上述した吸着型の真空ポンプを用いることで、排気系からのアルカリ金属、水素原子、水素分子、水、水酸基、または水素化物等の不純物の逆流を低減することができる。 In addition, by setting the leak rate in the film formation chamber of the sputtering apparatus to 1 × 10 −10 Pa · m 3 / second or less, alkali metal, hydride, or the like on the oxide semiconductor film during film formation by the sputtering method is used. Impurity contamination can be reduced. Further, by using the above-described adsorption-type vacuum pump as an exhaust system, backflow of impurities such as alkali metal, hydrogen atom, hydrogen molecule, water, hydroxyl group, or hydride from the exhaust system can be reduced.
また、ターゲットの純度を、99.99%以上とすることで、酸化物半導体膜に混入するアルカリ金属、水素原子、水素分子、水、水酸基、または水素化物等を低減することができる。また、当該ターゲットを用いることで、酸化物半導体膜において、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属の濃度を低減することができる。 In addition, when the purity of the target is 99.99% or higher, alkali metals, hydrogen atoms, hydrogen molecules, water, hydroxyl groups, hydrides, or the like mixed in the oxide semiconductor film can be reduced. In addition, when the target is used, the concentration of alkali metal such as lithium, sodium, or potassium can be reduced in the oxide semiconductor film.
なお、酸化物半導体膜に水素、水酸基及び水がなるべく含まれないようにするために、成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室で絶縁膜712及び絶縁膜713までが形成された基板700を予備加熱し、基板700に吸着した水又は水素などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱の温度は、100℃以上400℃以下、好ましくは150℃以上300℃以下である。また、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。また、この予備加熱は、後に行われるゲート絶縁膜721の成膜前に、導電膜719、導電膜720まで形成した基板700にも同様に行ってもよい。 Note that in order to prevent the oxide semiconductor film from containing hydrogen, a hydroxyl group, and water as much as possible, a substrate in which the insulating film 712 and the insulating film 713 are formed in a preheating chamber of a sputtering apparatus as a pretreatment for film formation. It is preferable to preheat 700 and desorb and exhaust impurities such as water or hydrogen adsorbed on the substrate 700. Note that the preheating temperature is 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, preferably 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. In addition, a cryopump is preferable as the exhaust means provided in the preheating chamber. Note that this preheating treatment can be omitted. Further, this preheating may be similarly performed on the substrate 700 over which the conductive films 719 and 720 are formed before the gate insulating film 721 to be formed later.
なお、酸化物半導体層716を形成するためのエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。ドライエッチングに用いるエッチングガスとしては、塩素を含むガス(塩素系ガス、例えば塩素(Cl2)、三塩化硼素(BCl3)、四塩化珪素(SiCl4)、四塩化炭素(CCl4)など)が好ましい。また、フッ素を含むガス(フッ素系ガス、例えば四弗化炭素(CF4)、六弗化硫黄(SF6)、三弗化窒素(NF3)、トリフルオロメタン(CHF3)など)、臭化水素(HBr)、酸素(O2)、これらのガスにヘリウム(He)やアルゴン(Ar)などの希ガスを添加したガス、などを用いることができる。 Note that etching for forming the oxide semiconductor layer 716 may be dry etching or wet etching, or both of them may be used. As an etching gas used for dry etching, a gas containing chlorine (chlorine-based gas such as chlorine (Cl 2 ), boron trichloride (BCl 3 ), silicon tetrachloride (SiCl 4 ), carbon tetrachloride (CCl 4 ), or the like) Is preferred. Gas containing fluorine (fluorine-based gas such as carbon tetrafluoride (CF 4 ), sulfur hexafluoride (SF 6 ), nitrogen trifluoride (NF 3 ), trifluoromethane (CHF 3 ), etc.), bromide Hydrogen (HBr), oxygen (O 2 ), a gas obtained by adding a rare gas such as helium (He) or argon (Ar) to these gases, or the like can be used.
ドライエッチング法としては、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)法を用いることができる。また、プラズマ源として、容量結合型プラズマ(CCP:Capacitively Coupled Plasma)、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)、電子サイクロトロン共鳴(ECR:Electron Cyclotron Resonance)プラズマ、ヘリコン波励起プラズマ(HWP:Helicon Wave Plasma)、マイクロ波励起表面波プラズマSWP:Surface Wave Plasma)などを用いることができる。エッチングをドライエッチング法で行う場合は、所望の形状にエッチングできるように、エッチング条件(コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加される電力量、基板側の電極温度等)を適宜調節する。 As the dry etching method, a reactive ion etching (RIE) method can be used. In addition, as a plasma source, capacitively coupled plasma (CCP), inductively coupled plasma (ICP), electron cyclotron resonance (ECR), helicon wave H plasma, helicon wave H plasma, and helicon wave H plasma. Wave Plasma), microwave excitation surface wave plasma SWP (Surface Wave Plasma), or the like can be used. When etching is performed by a dry etching method, the etching conditions (the amount of power applied to the coil-type electrode, the amount of power applied to the electrode on the substrate side, the electrode temperature on the substrate side, etc.) so that the desired shape can be etched. ) As appropriate.
ウェットエッチングに用いるエッチング液として、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液、クエン酸やシュウ酸などの有機酸を用いることができる。本実施の形態では、ITO−07N(関東化学社製)を用いる。 As an etchant used for wet etching, a mixed solution of phosphoric acid, acetic acid, and nitric acid, or an organic acid such as citric acid or oxalic acid can be used. In this embodiment, ITO-07N (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) is used.
酸化物半導体層716を形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。 A resist mask for forming the oxide semiconductor layer 716 may be formed by an inkjet method. When the resist mask is formed by an ink-jet method, a manufacturing cost can be reduced because a photomask is not used.
なお、次工程の導電膜を形成する前に逆スパッタを行い、酸化物半導体層716及び絶縁膜712及び絶縁膜713の表面に付着しているレジスト残渣などを除去することが好ましい。 Note that before the conductive film in the next step is formed, reverse sputtering is preferably performed to remove a resist residue or the like attached to the surfaces of the oxide semiconductor layer 716, the insulating film 712, and the insulating film 713.
なお、スパッタ等で成膜された酸化物半導体膜中には、不純物としての水又は水素(水酸基を含む)が多量に含まれていることがある。水又は水素はドナー準位を形成しやすいため、酸化物半導体にとっては不純物である。そこで、本発明の一態様では、酸化物半導体膜中の水又は水素などの不純物を低減(脱水化または脱水素化)するために、酸化物半導体層716に対して、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性ガス雰囲気下、酸素ガス雰囲気下、又は超乾燥エア(CRDS(キャビティリングダウンレーザー分光法)方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が20ppm(露点換算で−55℃)以下、好ましくは1ppm以下、好ましくは10ppb以下の空気)雰囲気下で、加熱処理を施す。 Note that an oxide semiconductor film formed by sputtering or the like may contain a large amount of water or hydrogen (including a hydroxyl group) as an impurity. Water or hydrogen is an impurity for an oxide semiconductor because it easily forms a donor level. Therefore, in one embodiment of the present invention, in order to reduce (dehydrate or dehydrogenate) an impurity such as water or hydrogen in the oxide semiconductor film, the oxide semiconductor layer 716 is subjected to nitrogen or nitrogen in a reduced pressure atmosphere. Moisture content when measured using an inert gas atmosphere such as a rare gas, an oxygen gas atmosphere, or an ultra-dry air (CRDS (cavity ring down laser spectroscopy) type dew point meter) is 20 ppm (-55 in terms of dew point) ° C) or less, preferably 1 ppm or less, preferably 10 ppb or less of air) under an atmosphere.
酸化物半導体層716に加熱処理を施すことで、酸化物半導体層716中の水又は水素を脱離させることができる。具体的には、250℃以上750℃以下、好ましくは400℃以上基板の歪み点未満の温度で加熱処理を行えば良い。例えば、500℃、3分間以上6分間以下程度で行えばよい。加熱処理にRTA法を用いれば、短時間に脱水化又は脱水素化が行えるため、基板にガラス基板を用いた場合においても、ガラス基板の歪点を超える温度でも処理することができる。 By performing heat treatment on the oxide semiconductor layer 716, water or hydrogen in the oxide semiconductor layer 716 can be eliminated. Specifically, heat treatment may be performed at a temperature of 250 ° C. to 750 ° C., preferably 400 ° C. to less than the strain point of the substrate. For example, it may be performed at 500 ° C. for about 3 minutes to 6 minutes. When the RTA method is used for the heat treatment, dehydration or dehydrogenation can be performed in a short time. Therefore, even when a glass substrate is used as the substrate, the treatment can be performed at a temperature exceeding the strain point of the glass substrate.
本実施の形態では、加熱処理装置の一つである電気炉を用いる。 In this embodiment, an electric furnace which is one of heat treatment apparatuses is used.
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導又は熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal Anneal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置である。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、アルゴンなどの希ガス、又は窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。 Note that the heat treatment apparatus is not limited to an electric furnace, and may include a device for heating an object to be processed by heat conduction or heat radiation from a heating element such as a resistance heating element. For example, a rapid thermal annealing (RTA) device such as a GRTA (Gas Rapid Thermal Anneal) device or an LRTA (Lamp Rapid Thermal Anneal) device can be used. The LRTA apparatus is an apparatus that heats an object to be processed by radiation of light (electromagnetic waves) emitted from a lamp such as a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, a carbon arc lamp, a high pressure sodium lamp, or a high pressure mercury lamp. The GRTA apparatus is an apparatus that performs heat treatment using a high-temperature gas. As the gas, an inert gas that does not react with an object to be processed by heat treatment, such as nitrogen or a rare gas such as argon, is used.
加熱処理においては、窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水又は水素などが含まれないことが好ましい。又は、加熱処理装置に導入する窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。 In the heat treatment, it is preferable that water or hydrogen is not contained in nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon. Alternatively, the purity of nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon introduced into the heat treatment apparatus is 6N (99.9999%) or more, preferably 7N (99.99999%) or more (that is, the impurity concentration is 1 ppm). Or less, preferably 0.1 ppm or less).
以上の工程により、酸化物半導体層716中の水素の濃度を低減し、酸化物半導体層716を高純度化することができる。 Through the above steps, the concentration of hydrogen in the oxide semiconductor layer 716 can be reduced and the oxide semiconductor layer 716 can be highly purified.
酸化物半導体層716を形成した後、イオン注入法により酸化物半導体層716に酸素を導入してもよい。また、酸素の導入は、プラズマドープ法により行ってもよい。具体的には、高周波(RF)を用いて酸素をプラズマ化し、酸素ラジカル、酸素イオンを酸化物半導体層716へ導入する。この時、酸化物半導体層716が形成される基板にバイアスを印加すると好ましい。基板に印加するバイアスを大きくすることで、より深くまで酸素を導入することができる。 After the oxide semiconductor layer 716 is formed, oxygen may be introduced into the oxide semiconductor layer 716 by an ion implantation method. Further, oxygen may be introduced by a plasma doping method. Specifically, oxygen is turned into plasma using radio frequency (RF), and oxygen radicals and oxygen ions are introduced into the oxide semiconductor layer 716. At this time, it is preferable to apply a bias to the substrate over which the oxide semiconductor layer 716 is formed. By increasing the bias applied to the substrate, oxygen can be introduced deeper.
プラズマドープ法により酸化物半導体層716へ導入される酸素(酸素ラジカル、酸素原子、及び/又は酸素イオン)は、酸素を含むガスを用いてプラズマ発生装置により供給されてもよいし、又はオゾン発生装置により供給されてもよい。 Oxygen (oxygen radicals, oxygen atoms, and / or oxygen ions) introduced into the oxide semiconductor layer 716 by a plasma doping method may be supplied from a plasma generator using a gas containing oxygen, or ozone is generated. It may be supplied by the device.
酸化物半導体層716に酸素を導入した後、加熱処理(好ましくは200℃以上600℃以下、例えば250℃以上550℃以下)を行ってもよい。例えば、窒素雰囲気下で450℃、1時間の加熱処理を行う。なお、上記雰囲気に水、水素などが含まれないことが好ましい。 After introducing oxygen into the oxide semiconductor layer 716, heat treatment (preferably 200 ° C. to 600 ° C., for example, 250 ° C. to 550 ° C.) may be performed. For example, heat treatment is performed at 450 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. Note that it is preferable that the atmosphere does not contain water, hydrogen, or the like.
酸化物半導体層716への酸素の導入及び加熱処理によって、不純物の排除工程によって同時に減少してしまう酸化物半導体を構成する主成分材料の一つである酸素を補い酸化物半導体層716をi型(真性)化することができる。 Oxygen that is one of the main components of the oxide semiconductor that is simultaneously reduced by the impurity removal step due to the introduction of oxygen into the oxide semiconductor layer 716 and heat treatment, and the oxide semiconductor layer 716 is i-type. Can be (intrinsic).
酸化物半導体は単結晶でも、非単結晶でもよい。後者の場合、アモルファスでも、多結晶でもよい。また、アモルファス中に結晶性を有する部分を含む構造でも、非アモルファスでもよい。 The oxide semiconductor may be single crystal or non-single crystal. In the latter case, it may be amorphous or polycrystalline. Moreover, the structure which contains the part which has crystallinity in an amorphous may be sufficient, and a non-amorphous may be sufficient.
アモルファス状態の酸化物半導体は、比較的容易に平坦な表面を得ることができるため、これを用いてトランジスタを作製した際の界面散乱を低減でき、比較的容易に、比較的高い電界効果移動度を得ることができる。 Since an oxide semiconductor in an amorphous state can obtain a flat surface relatively easily, interface scattering when a transistor is manufactured using the oxide semiconductor can be reduced, and relatively high field-effect mobility can be achieved. Can be obtained.
また、結晶性を有する酸化物半導体では、よりバルク内欠陥を低減することができ、表面の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の電界効果移動度を得ることができる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ(Ra)が1nm以下、好ましくは0.3nm以下、より好ましくは0.1nm以下の表面上に形成するとよい。Raは原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)にて評価可能である。 In addition, in an oxide semiconductor having crystallinity, defects in a bulk can be further reduced, and field effect mobility higher than that of an oxide semiconductor in an amorphous state can be obtained by increasing surface flatness. In order to improve the flatness of the surface, it is preferable to form an oxide semiconductor on the flat surface. Specifically, the average surface roughness (Ra) is 1 nm or less, preferably 0.3 nm or less, more preferably Is preferably formed on a surface of 0.1 nm or less. Ra can be evaluated with an atomic force microscope (AFM).
酸化物半導体層716に、結晶性を有する酸化物半導体を用いる場合は、酸化物半導体層716と接する絶縁膜713は、酸化物半導体が結晶成長しやすいように、十分な平坦性を有することが好ましい。また、絶縁膜713と酸化物半導体層716の間に、十分な平坦性を有する絶縁膜を設けてもよい。 In the case where an oxide semiconductor having crystallinity is used for the oxide semiconductor layer 716, the insulating film 713 in contact with the oxide semiconductor layer 716 may have sufficient flatness so that the oxide semiconductor can easily grow. preferable. Further, an insulating film having sufficient flatness may be provided between the insulating film 713 and the oxide semiconductor layer 716.
結晶性を有する酸化物半導体としては、c軸配向し、かつab面、表面または界面の方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、c軸においては金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列しており、ab面においてはa軸またはb軸の向きが異なる(c軸を中心に回転した)結晶を含む酸化物半導体(CAAC−OS:C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductorともいう)を用いることが好ましい。 As an oxide semiconductor having crystallinity, the c-axis-oriented and triangular or hexagonal atomic arrangement as viewed from the ab plane, the surface, or the interface direction, and metal atoms are layered or metal atoms in the c-axis And oxygen atoms are arranged in layers, and the ab or b-axis direction of the ab plane is different (rotated around the c-axis) crystal semiconductor (CAAC-OS: C Axis Aligned Crystalline Oxide) It is preferable to use a semiconductor).
CAAC−OSとは、広義に、非単結晶であって、そのab面に垂直な方向から見て、三角形、六角形、正三角形または正六角形の原子配列を有し、かつc軸方向に垂直な方向から見て、金属原子が層状、または金属原子と酸素原子が層状に配列した相を含む。 CAAC-OS is a non-single crystal in a broad sense, and has a triangular, hexagonal, equilateral triangle, or equilateral hexagonal atomic arrangement when viewed from the direction perpendicular to the ab plane, and is perpendicular to the c-axis direction. When viewed from the right direction, it includes a phase in which metal atoms are arranged in layers, or metal atoms and oxygen atoms are arranged in layers.
CAAC−OSは単結晶ではないが、非晶質のみから形成されているものでもない。また、CAAC−OSは結晶化した部分(結晶部分)を含むが、1つの結晶部分と他の結晶部分の境界を明確に判別できないこともある。 A CAAC-OS is not a single crystal but is not formed of only an amorphous substance. Further, although the CAAC-OS includes a crystallized portion (crystal portion), the boundary between one crystal portion and another crystal portion may not be clearly distinguished.
CAAC−OSを構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。また、CAAC−OSを構成する個々の結晶部分のc軸は一定の方向(例えば、CAAC−OSが形成される基板面、CAAC−OSの表面などに垂直な方向)に揃っていてもよい。または、CAAC−OSを構成する個々の結晶部分のab面の法線は一定の方向(例えば、CAAC−OSが形成される基板面、CAAC−OSの表面などに垂直な方向)を向いていてもよい。 Part of oxygen included in the CAAC-OS may be replaced with nitrogen. In addition, the c-axis of each crystal part included in the CAAC-OS may be aligned in a certain direction (eg, a direction perpendicular to a substrate surface on which the CAAC-OS is formed, the surface of the CAAC-OS, or the like). Alternatively, the normal line of the ab plane of each crystal part included in the CAAC-OS faces a certain direction (for example, a direction perpendicular to the substrate surface on which the CAAC-OS is formed, the surface of the CAAC-OS, or the like). Also good.
CAAC−OSは、その組成などに応じて、導体または絶縁体となりうる。また、その組成などに応じて、可視光に対して透明であったり不透明であったりする。 The CAAC-OS can be a conductor or an insulator depending on its composition or the like. Further, it is transparent or opaque to visible light depending on its composition.
このようなCAAC−OSの例として、膜状に形成され、膜表面または支持する基板面に垂直な方向から観察すると三角形または六角形の原子配列が認められ、かつその膜断面を観察すると金属原子または金属原子および酸素原子(または窒素原子)の層状配列が認められる酸化物を挙げることもできる。 As an example of such a CAAC-OS, a triangular or hexagonal atomic arrangement is observed when observed from a direction perpendicular to the film surface or a supporting substrate surface, and metal atoms are observed when the film cross section is observed. Alternatively, an oxide in which a layered arrangement of metal atoms and oxygen atoms (or nitrogen atoms) is recognized can be given.
CAAC−OSに含まれる結晶構造の一例について図18乃至図20を用いて詳細に説明する。なお、特に断りがない限り、図18乃至図20は上方向をc軸方向とし、c軸方向と直交する面をab面とする。なお、単に上半分、下半分という場合、ab面を境にした場合の上半分、下半分をいう。また、図18において、丸で囲まれたOは4配位のOを示し、二重丸で囲まれたOは3配位のOを示す。 An example of a crystal structure included in the CAAC-OS will be described in detail with reference to FIGS. Unless otherwise specified, in FIGS. 18 to 20, the upper direction is the c-axis direction, and the plane orthogonal to the c-axis direction is the ab plane. Note that the upper half and the lower half simply refer to the upper half and the lower half when the ab surface is used as a boundary. In FIG. 18, O surrounded by a circle represents tetracoordinate O and O surrounded by a double circle represents tricoordinate O.
図18(A)に、1個の6配位のInと、Inに近接の6個の4配位の酸素原子(以下4配位のO)と、を有する構造を示す。ここでは、金属原子が1個に対して、近接の酸素原子のみ示した構造を小グループと呼ぶ。図18(A)の構造は、八面体構造をとるが、簡単のため平面構造で示している。なお、図18(A)の上半分および下半分にはそれぞれ3個ずつ4配位のOがある。図18(A)に示す小グループは電荷が0である。 FIG. 18A illustrates a structure including one hexacoordinate In atom and six tetracoordinate oxygen atoms adjacent to In (hereinafter, tetracoordinate O). Here, a structure in which only one oxygen atom is adjacent to one metal atom is referred to as a small group. The structure in FIG. 18A has an octahedral structure, but is illustrated as a planar structure for simplicity. Note that three tetracoordinate O atoms exist in each of an upper half and a lower half in FIG. In the small group illustrated in FIG. 18A, electric charge is 0.
図18(B)に、1個の5配位のGaと、Gaに近接の3個の3配位の酸素原子(以下3配位のO)と、Gaに近接の2個の4配位のOと、を有する構造を示す。3配位のOは、いずれもab面に存在する。図18(B)の上半分および下半分にはそれぞれ1個ずつ4配位のOがある。また、Inも5配位をとるため、図18(B)に示す構造をとりうる。図18(B)に示す小グループは電荷が0である。 FIG. 18B illustrates one pentacoordinate Ga, three tricoordinate oxygen atoms close to Ga (hereinafter, tricoordinate O), and two tetracoordinates close to Ga. And a structure having O. All tricoordinate O atoms are present on the ab plane. One tetracoordinate O atom exists in each of an upper half and a lower half in FIG. In addition, since In also has five coordination, the structure illustrated in FIG. 18B can be employed. In the small group illustrated in FIG. 18B, electric charge is 0.
図18(C)に、1個の4配位のZnと、Znに近接の4個の4配位のOと、を有する構造を示す。図18(C)の上半分には1個の4配位のOがあり、下半分には3個の4配位のOがある。または、図18(C)の上半分に3個の4配位のOがあり、下半分に1個の4配位のOがあってもよい。図18(C)に示す小グループは電荷が0である。 FIG. 18C illustrates a structure including one tetracoordinate Zn and four tetracoordinate O adjacent to Zn. In FIG. 18C, there is one tetracoordinate O in the upper half, and three tetracoordinate O in the lower half. Alternatively, three tetracoordinate O atoms may exist in the upper half of FIG. 18C and one tetracoordinate O atom may exist in the lower half. In the small group illustrated in FIG. 18C, electric charge is 0.
図18(D)に、1個の6配位のSnと、Snに近接の6個の4配位のOと、を有する構造を示す。図18(D)の上半分には3個の4配位のOがあり、下半分には3個の4配位のOがある。図18(D)に示す小グループは電荷が+1となる。 FIG. 18D illustrates a structure including one hexacoordinate Sn and six tetracoordinate O adjacent to Sn. In FIG. 18D, there are three tetracoordinate O atoms in the upper half and three tetracoordinate O atoms in the lower half. In the small group illustrated in FIG. 18D, electric charge is +1.
図18(E)に、2個のZnを含む小グループを示す。図18(E)の上半分には1個の4配位のOがあり、下半分には1個の4配位のOがある。図18(E)に示す小グループは電荷が−1となる。 FIG. 18E illustrates a small group including two Zn atoms. In FIG. 18E, there is one tetracoordinate O in the upper half, and one tetracoordinate O in the lower half. In the small group illustrated in FIG. 18E, electric charge is -1.
ここでは、複数の小グループの集合体を中グループと呼び、複数の中グループの集合体を大グループ(ユニットセルともいう。)と呼ぶ。 Here, an aggregate of a plurality of small groups is referred to as a medium group, and an aggregate of a plurality of medium groups is referred to as a large group (also referred to as a unit cell).
ここで、これらの小グループ同士が結合する規則について説明する。図18(A)に示す6配位のInの上半分の3個のOは下方向にそれぞれ3個の近接Inを有し、下半分の3個のOは上方向にそれぞれ3個の近接Inを有する。図18(B)に示す5配位のGaの上半分の1個のOは下方向に1個の近接Gaを有し、下半分の1個のOは上方向に1個の近接Gaを有する。図18(C)に示す4配位のZnの上半分の1個のOは下方向に1個の近接Znを有し、下半分の3個のOは上方向にそれぞれ3個の近接Znを有する。この様に、金属原子の上方向の4配位のOの数と、そのOの下方向にある近接金属原子の数は等しく、同様に金属原子の下方向の4配位のOの数と、そのOの上方向にある近接金属原子の数は等しい。Oは4配位なので、下方向にある近接金属原子の数と、上方向にある近接金属原子の数の和は4になる。従って、金属原子の上方向にある4配位のOの数と、別の金属原子の下方向にある4配位のOの数との和が4個のとき、金属原子を有する二種の小グループ同士は結合することができる。その理由を以下に示す。例えば、6配位の金属原子(InまたはSn)が下半分の4配位のOを介して結合する場合、4配位のOが3個であるため、5配位の金属原子(GaまたはIn)または4配位の金属原子(Zn)のいずれかと結合することになる。 Here, a rule for combining these small groups will be described. The three O atoms in the upper half of 6-coordinate In shown in FIG. 18A each have three adjacent Ins in the downward direction, and the three Os in the lower half each have three adjacent in the upper direction. In. One O in the upper half of the five-coordinate Ga shown in FIG. 18B has one adjacent Ga in the lower direction, and one O in the lower half has one adjacent Ga in the upper direction. Have. One O in the upper half of the tetracoordinate Zn shown in FIG. 18C has one neighboring Zn in the lower direction, and three Os in the lower half each have three neighboring Zn in the upper direction. Have In this way, the number of upward tetracoordinate O atoms of a metal atom is equal to the number of adjacent metal atoms in the downward direction of the O, and similarly the number of downward tetracoordinate O atoms of the metal atom is , The number of adjacent metal atoms in the upper direction of O is equal. Since O is 4-coordinate, the sum of the number of adjacent metal atoms in the downward direction and the number of adjacent metal atoms in the upward direction is 4. Therefore, when the sum of the number of tetracoordinate O atoms in the upward direction of a metal atom and the number of tetracoordinate O atoms in the downward direction of another metal atom is four, Small groups can be joined together. The reason is as follows. For example, in the case where a hexacoordinate metal atom (In or Sn) is bonded via tetracoordinate O in the lower half, since there are three tetracoordinate O atoms, a pentacoordinate metal atom (Ga or In) or a tetracoordinate metal atom (Zn).
これらの配位数を有する金属原子は、c軸方向において、4配位のOを介して結合する。また、このほかにも、層構造の合計の電荷が0となるように複数の小グループが結合して中グループを構成する。 The metal atoms having these coordination numbers are bonded via tetracoordinate O in the c-axis direction. In addition, a plurality of small groups are combined to form a middle group so that the total charge of the layer structure becomes zero.
図19(A)に、In−Sn−Zn系酸化物の層構造を構成する中グループのモデル図を示す。図19(B)に、3つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図19(C)は、図19(B)の層構造をc軸方向から観察した場合の原子配列を示す。 FIG. 19A is a model diagram of a middle group that forms a layer structure of an In—Sn—Zn-based oxide. FIG. 19B illustrates a large group including three medium groups. Note that FIG. 19C illustrates an atomic arrangement in the case where the layered structure in FIG. 19B is observed from the c-axis direction.
図19(A)においては、簡単のため、3配位のOは省略し、4配位のOは個数のみ示し、例えば、Snの上半分および下半分にはそれぞれ3個ずつ4配位のOがあることを丸枠の3として示している。同様に、図19(A)において、Inの上半分および下半分にはそれぞれ1個ずつ4配位のOがあり、丸枠の1として示している。また、同様に、図19(A)において、下半分には1個の4配位のOがあり、上半分には3個の4配位のOがあるZnと、上半分には1個の4配位のOがあり、下半分には3個の4配位のOがあるZnとを示している。 In FIG. 19A, for the sake of simplicity, tricoordinate O is omitted and only tetracoordinate O is shown. For example, three tetracoordinates are provided in each of the upper half and the lower half of Sn. The presence of O is shown as 3 in a round frame. Similarly, in FIG. 19A, one tetracoordinate O atom exists in each of the upper half and the lower half of In, which is shown as 1 in a round frame. Similarly, in FIG. 19A, the lower half has one tetracoordinate O, the upper half has three tetracoordinate O, and the upper half has one. In the lower half, Zn having three tetracoordinate O atoms is shown.
図19(A)において、In−Sn−Zn系酸化物の層構造を構成する中グループは、上から順に4配位のOが3個ずつ上半分および下半分にあるSnが、4配位のOが1個ずつ上半分および下半分にあるInと結合し、そのInが、上半分に3個の4配位のOがあるZnと結合し、そのZnの下半分の1個の4配位のOを介して4配位のOが3個ずつ上半分および下半分にあるInと結合し、そのInが、上半分に1個の4配位のOがあるZn2個からなる小グループと結合し、この小グループの下半分の1個の4配位のOを介して4配位のOが3個ずつ上半分および下半分にあるSnと結合している構成である。この中グループが複数結合して大グループを構成する。 In FIG. 19A, the middle group that forms the layer structure of the In—Sn—Zn-based oxide includes four tetracoordinate O atoms in the upper half and the lower half in order from the top. Are bonded to In in the upper and lower halves one by one, and the In is bonded to Zn having three tetracoordinate O atoms in the upper half. A small group consisting of two Zn atoms with four tetracoordinate O atoms in the upper half and the lower half through Coordinate O, and the In is composed of two Zn atoms with one tetracoordinate O atom in the upper half. In this configuration, three tetracoordinate O atoms are bonded to Sn in the upper and lower halves through one tetracoordinate O atom in the lower half of the small group. A plurality of medium groups are combined to form a large group.
ここで、3配位のOおよび4配位のOの場合、結合1本当たりの電荷はそれぞれ−0.667、−0.5と考えることができる。例えば、In(6配位または5配位)、Zn(4配位)、Sn(5配位または6配位)の電荷は、それぞれ+3、+2、+4である。従って、Snを含む小グループは電荷が+1となる。そのため、Snを含む層構造を形成するためには、電荷+1を打ち消す電荷−1が必要となる。電荷−1をとる構造として、図18(E)に示すように、2個のZnを含む小グループが挙げられる。例えば、Snを含む小グループが1個に対し、2個のZnを含む小グループが1個あれば、電荷が打ち消されるため、層構造の合計の電荷を0とすることができる。 Here, in the case of tricoordinate O and tetracoordinate O, the charges per bond can be considered to be −0.667 and −0.5, respectively. For example, the charges of In (6-coordinate or 5-coordinate), Zn (4-coordinate), and Sn (5-coordinate or 6-coordinate) are +3, +2, and +4, respectively. Therefore, the small group including Sn has a charge of +1. Therefore, in order to form a layer structure including Sn, a charge −1 that cancels the charge +1 is required. As a structure with charge −1, a small group including two Zn atoms can be given as illustrated in FIG. For example, if there is one small group containing Sn and one small group containing 2 Zn, the charge is canceled out, so the total charge of the layer structure can be zero.
具体的には、図19(B)に示した大グループが繰り返されることで、In−Sn−Zn系酸化物の結晶(In2SnZn3O8)を得ることができる。なお、得られるIn−Sn−Zn系酸化物の層構造は、In2SnZn2O7(ZnO)m(mは0または自然数。)とする組成式で表すことができる。 Specifically, the large group illustrated in FIG. 19B is repeated, whereby an In—Sn—Zn-based oxide crystal (In 2 SnZn 3 O 8 ) can be obtained. Note that the layer structure of the obtained In—Sn—Zn-based oxide can be represented by a composition formula, In 2 SnZn 2 O 7 (ZnO) m (m is 0 or a natural number).
また、このほかにも、四元系金属の酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn系酸化物や、三元系金属の酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する。)、In−Al−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al−Ga−Zn系酸化物、Sn−Al−Zn系酸化物や、In−Hf−Zn系酸化物、In−La−Zn系酸化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−Zn系酸化物、In−Nd−Zn系酸化物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Zn系酸化物、In−Gd−Zn系酸化物、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系酸化物、In−Ho−Zn系酸化物、In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸化物、In−Yb−Zn系酸化物、In−Lu−Zn系酸化物や、二元系金属の酸化物であるIn−Zn系酸化物、Sn−Zn系酸化物、Al−Zn系酸化物、Zn−Mg系酸化物、Sn−Mg系酸化物、In−Mg系酸化物や、In−Ga系酸化物、一元系金属の酸化物であるIn系酸化物、Sn系酸化物、Zn系酸化物などを用いた場合も同様である。 In addition, an In—Sn—Ga—Zn-based oxide, which is an oxide of a quaternary metal, and an In—Ga—Zn-based oxide, which is an oxide of a ternary metal (also referred to as IGZO). In-Al-Zn-based oxide, Sn-Ga-Zn-based oxide, Al-Ga-Zn-based oxide, Sn-Al-Zn-based oxide, In-Hf-Zn-based oxide, In -La-Zn oxide, In-Ce-Zn oxide, In-Pr-Zn oxide, In-Nd-Zn oxide, In-Sm-Zn oxide, In-Eu-Zn oxide Oxide, In-Gd-Zn-based oxide, In-Tb-Zn-based oxide, In-Dy-Zn-based oxide, In-Ho-Zn-based oxide, In-Er-Zn-based oxide, In- Tm-Zn-based oxides, In-Yb-Zn-based oxides, In-Lu-Zn-based oxides, and binary metal acids In-Zn oxides, Sn-Zn oxides, Al-Zn oxides, Zn-Mg oxides, Sn-Mg oxides, In-Mg oxides, In-Ga oxides The same applies to the case of using an oxide, an In-based oxide, a Sn-based oxide, a Zn-based oxide, or the like which is an oxide of a single metal.
例えば、図20(A)に、In−Ga−Zn系酸化物の層構造を構成する中グループのモデル図を示す。 For example, FIG. 20A illustrates a model diagram of a middle group that forms a layered structure of an In—Ga—Zn-based oxide.
図20(A)において、In−Ga−Zn系酸化物の層構造を構成する中グループは、上から順に4配位のOが3個ずつ上半分および下半分にあるInが、4配位のOが1個上半分にあるZnと結合し、そのZnの下半分の3個の4配位のOを介して、4配位のOが1個ずつ上半分および下半分にあるGaと結合し、そのGaの下半分の1個の4配位のOを介して、4配位のOが3個ずつ上半分および下半分にあるInと結合している構成である。この中グループが複数結合して大グループを構成する。 In FIG. 20A, the middle group that forms the layer structure of the In—Ga—Zn-based oxide has four tetracoordinate O atoms in the upper half and the lower half in order from the top. Is bonded to Zn in the upper half, and through four tetracoordinate O atoms in the lower half of the Zn, Ga in which one tetracoordinate O atom is present in the upper half and the lower half one by one In this structure, three tetracoordinate O atoms are bonded to In in the upper half and the lower half through one tetracoordinate O atom in the lower half of the Ga. A plurality of medium groups are combined to form a large group.
図20(B)に3つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図20(C)は、図20(B)の層構造をc軸方向から観察した場合の原子配列を示している。 FIG. 20B illustrates a large group including three medium groups. Note that FIG. 20C illustrates an atomic arrangement in the case where the layered structure in FIG. 20B is observed from the c-axis direction.
ここで、In(6配位または5配位)、Zn(4配位)、Ga(5配位)の電荷は、それぞれ+3、+2、+3であるため、In、ZnおよびGaのいずれかを含む小グループは、電荷が0となる。そのため、これらの小グループの組み合わせであれば中グループの合計の電荷は常に0となる。 Here, charges of In (6-coordinate or 5-coordinate), Zn (4-coordinate), and Ga (5-coordinate) are +3, +2, and +3, respectively. The small group including the charge is 0. Therefore, in the case of a combination of these small groups, the total charge of the medium group is always zero.
また、In−Ga−Zn系酸化物の層構造を構成する中グループは、図20(A)に示した中グループに限定されず、In、Ga、Znの配列が異なる中グループを組み合わせた大グループも取りうる。 Further, the middle group forming the layer structure of the In—Ga—Zn-based oxide is not limited to the middle group illustrated in FIG. 20A, and a large group in which middle groups having different arrangements of In, Ga, and Zn are combined. Groups can also be taken.
具体的には、図20(B)に示した大グループが繰り返されることで、In−Ga−Zn系酸化物の結晶を得ることができる。なお、得られるIn−Ga−Zn系酸化物の層構造は、InGaO3(ZnO)n(nは自然数。)とする組成式で表すことができる。 Specifically, the large group illustrated in FIG. 20B is repeated, whereby an In—Ga—Zn-based oxide crystal can be obtained. Note that the layered structure of the obtained In—Ga—Zn-based oxide can be represented by a composition formula, InGaO 3 (ZnO) n (n is a natural number).
n=1(InGaZnO4)の場合は、例えば、図21(A)に示す結晶構造を取りうる。なお、図21(A)に示す結晶構造において、図18(B)で説明したように、Ga及びInは5配位をとるため、GaがInに置き換わった構造も取りうる。 In the case of n = 1 (InGaZnO 4 ), for example, the crystal structure illustrated in FIG. Note that in the crystal structure illustrated in FIG. 21A, as described in FIG. 18B, since Ga and In have five coordination, a structure in which Ga is replaced with In can be used.
また、n=2(InGaZn2O5)の場合は、例えば、図21(B)に示す結晶構造を取りうる。なお、図21(B)に示す結晶構造において、図18(B)で説明したように、Ga及びInは5配位をとるため、GaがInに置き換わった構造も取りうる。 In the case of n = 2 (InGaZn 2 O 5 ), for example, the crystal structure shown in FIG. 21B can be taken. Note that in the crystal structure illustrated in FIG. 21B, as described in FIG. 18B, since Ga and In have five coordination, a structure in which Ga is replaced with In can be employed.
次いで、図14(A)に示すように、ゲート電極707と接し、なおかつ酸化物半導体層716とも接する導電膜719と、導電膜708と接し、なおかつ酸化物半導体層716とも接する導電膜720とを形成する。導電膜719及び導電膜720は、ソース電極又はドレイン電極として機能する。 Next, as illustrated in FIG. 14A, a conductive film 719 in contact with the gate electrode 707 and in contact with the oxide semiconductor layer 716 and a conductive film 720 in contact with the conductive film 708 and in contact with the oxide semiconductor layer 716 are formed. Form. The conductive films 719 and 720 function as a source electrode or a drain electrode.
具体的には、導電膜719及び導電膜720は、ゲート電極707及び導電膜708を覆うようにスパッタリング法や真空蒸着法で導電膜を形成した後、該導電膜を所定の形状に加工することで、形成することができる。 Specifically, the conductive film 719 and the conductive film 720 are formed by a sputtering method or a vacuum evaporation method so as to cover the gate electrode 707 and the conductive film 708, and then processed into a predetermined shape. Can be formed.
導電膜719及び導電膜720となる導電膜は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステン、マグネシウムから選ばれた元素、又は上述した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。また、アルミニウム、銅などの金属膜の下側もしくは上側にクロム、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンなどの高融点金属膜を積層させた構成としても良い。また、アルミニウム又は銅は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム、イットリウム等を用いることができる。 The conductive film to be the conductive film 719 and the conductive film 720 may be an element selected from aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, tungsten, and magnesium, or an alloy containing any of the above elements as a component, or a combination of the above elements. Alloy films and the like. Alternatively, a high melting point metal film such as chromium, tantalum, titanium, molybdenum, or tungsten may be stacked below or above the metal film such as aluminum or copper. Aluminum or copper is preferably used in combination with a refractory metal material in order to avoid problems of heat resistance and corrosion. As the refractory metal material, molybdenum, titanium, chromium, tantalum, tungsten, neodymium, scandium, yttrium, or the like can be used.
また、導電膜719及び導電膜720となる導電膜は、単層構造でも、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する2層構造、チタン膜と、そのチタン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、更にその上にチタン膜を成膜する3層構造などが挙げられる。また、Cu−Mg−Al合金、Mo−Ti合金、Ti、Mo、は、酸化膜との密着性が高い。よって、下層にCu−Mg−Al合金、Mo−Ti合金、Ti、或いはMoで構成される導電膜、上層にCuで構成される導電膜を積層し、上記積層された導電膜を導電膜719及び導電膜720に用いることで、酸化膜である絶縁膜と、導電膜719及び導電膜720との密着性を高めることができる。 The conductive film to be the conductive films 719 and 720 may have a single-layer structure or a stacked structure of two or more layers. For example, a single layer structure of an aluminum film containing silicon, a two-layer structure in which a titanium film is laminated on an aluminum film, a titanium film, an aluminum film laminated on the titanium film, and a titanium film formed on the titanium film. Examples include a three-layer structure. Further, Cu—Mg—Al alloy, Mo—Ti alloy, Ti, and Mo have high adhesion to the oxide film. Therefore, a conductive film composed of Cu—Mg—Al alloy, Mo—Ti alloy, Ti, or Mo is stacked in the lower layer, and a conductive film composed of Cu is stacked in the upper layer, and the stacked conductive film is used as the conductive film 719. By using the conductive film 720, the adhesion between the insulating film which is an oxide film and the conductive films 719 and 720 can be increased.
また、導電膜719及び導電膜720となる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム酸化スズ混合物、酸化インジウム酸化亜鉛混合物又は前記金属酸化物材料にシリコン若しくは酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。 Alternatively, the conductive film to be the conductive films 719 and 720 may be formed using a conductive metal oxide. As the conductive metal oxide, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, an indium tin oxide mixture, an indium zinc oxide mixture, or a metal oxide material containing silicon or silicon oxide can be used.
導電膜形成後に加熱処理を行う場合には、この加熱処理に耐える耐熱性を導電膜に持たせることが好ましい。 In the case where heat treatment is performed after formation of the conductive film, the conductive film preferably has heat resistance enough to withstand the heat treatment.
なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体層716がなるべく除去されないようにそれぞれの材料及びエッチング条件を適宜調節する。エッチング条件によっては、酸化物半導体層716の露出した部分が一部エッチングされることで、溝部(凹部)が形成されることもある。 Note that each material and etching conditions are adjusted as appropriate so that the oxide semiconductor layer 716 is not removed as much as possible when the conductive film is etched. Depending on the etching conditions, a part of the exposed portion of the oxide semiconductor layer 716 may be etched to form a groove (a depressed portion).
本実施の形態では、導電膜にチタン膜を用いる。そのため、アンモニアと過酸化水素水を含む溶液(アンモニア過水)を用いて、選択的に導電膜をウェットエッチングすることができる。具体的には、31重量%の過酸化水素水と、28重量%のアンモニア水と水とを、体積比5:2:2で混合したアンモニア過水を用いる。或いは、塩素(Cl2)、塩化硼素(BCl3)などを含むガスを用いて、導電膜をドライエッチングしても良い。 In this embodiment, a titanium film is used for the conductive film. Therefore, the conductive film can be selectively wet-etched using a solution containing ammonia and aqueous hydrogen peroxide (ammonia hydrogen peroxide). Specifically, ammonia perwater obtained by mixing 31% by weight of hydrogen peroxide water, 28% by weight of ammonia water and water at a volume ratio of 5: 2: 2. Alternatively, the conductive film may be dry-etched using a gas containing chlorine (Cl 2 ), boron chloride (BCl 3 ), or the like.
なお、フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減するため、透過した光に多段階の強度をもたせる多階調マスクによって形成されたレジストマスクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマスクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことで更に形状を変形することができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。 Note that in order to reduce the number of photomasks used in the photolithography process and the number of processes, the etching process may be performed using a resist mask formed by a multi-tone mask that gives multi-level intensity to transmitted light. A resist mask formed using a multi-tone mask has a shape with a plurality of thicknesses, and the shape can be further deformed by etching. Therefore, the resist mask can be used for a plurality of etching processes for processing into different patterns. . Therefore, a resist mask corresponding to at least two kinds of different patterns can be formed by using one multi-tone mask. Therefore, the number of exposure masks can be reduced, and the corresponding photolithography process can be reduced, so that the process can be simplified.
また、酸化物半導体層716と、ソース電極又はドレイン電極として機能する導電膜719及び導電膜720との間に、ソース領域及びドレイン領域として機能する酸化物導電膜を設けるようにしても良い。酸化物導電膜の材料としては、酸化亜鉛を成分として含むものが好ましく、酸化インジウムを含まないものであることが好ましい。そのような酸化物導電膜として、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム、酸化亜鉛ガリウムなどを用いることができる。 An oxide conductive film functioning as a source region and a drain region may be provided between the oxide semiconductor layer 716 and the conductive films 719 and 720 functioning as a source electrode and a drain electrode. As a material for the oxide conductive film, a material containing zinc oxide as a component is preferable, and a material not containing indium oxide is preferable. As such an oxide conductive film, zinc oxide, zinc aluminum oxide, zinc aluminum oxynitride, zinc gallium oxide, or the like can be used.
例えば、酸化物導電膜を形成する場合、酸化物導電膜を形成するためのエッチング加工と、導電膜719及び導電膜720を形成するためのエッチング加工とを一括で行うようにしても良い。 For example, in the case of forming an oxide conductive film, an etching process for forming the oxide conductive film and an etching process for forming the conductive film 719 and the conductive film 720 may be performed in a lump.
ソース領域及びドレイン領域として機能する酸化物導電膜を設けることで、酸化物半導体層716と導電膜719及び導電膜720の間の抵抗を下げることができるので、トランジスタの高速動作を実現させることができる。また、ソース領域及びドレイン領域として機能する酸化物導電膜を設けることで、トランジスタの耐圧を高めることができる。 By providing the oxide conductive film functioning as the source region and the drain region, the resistance between the oxide semiconductor layer 716, the conductive film 719, and the conductive film 720 can be reduced; thus, high-speed operation of the transistor can be realized. it can. Further, by providing the oxide conductive film functioning as a source region and a drain region, the withstand voltage of the transistor can be increased.
次いで、N2O、N2、又はArなどのガスを用いたプラズマ処理を行うようにしても良い。このプラズマ処理によって露出している酸化物半導体層の表面に付着した水などを除去する。また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。 Next, plasma treatment using a gas such as N 2 O, N 2 , or Ar may be performed. Water or the like attached to the surface of the oxide semiconductor layer exposed by this plasma treatment is removed. Further, plasma treatment may be performed using a mixed gas of oxygen and argon.
なお、プラズマ処理を行った後、図14(B)に示すように、導電膜719及び導電膜720と、酸化物半導体層716とを覆うように、ゲート絶縁膜721を形成する。そして、ゲート絶縁膜721上において、酸化物半導体層716と重なる位置にゲート電極722を形成する。 Note that after the plasma treatment, a gate insulating film 721 is formed so as to cover the conductive films 719 and 720 and the oxide semiconductor layer 716 as illustrated in FIG. Then, a gate electrode 722 is formed over the gate insulating film 721 so as to overlap with the oxide semiconductor layer 716.
ゲート絶縁膜721は、ゲート絶縁膜703と同様の材料、同様の積層構造を用いて形成することが可能である。なお、ゲート絶縁膜721は、水や、水素などの不純物を極力含まないことが望ましく、単層の絶縁膜であっても良いし、積層された複数の絶縁膜で構成されていても良い。ゲート絶縁膜721に水素が含まれると、その水素が酸化物半導体層716へ侵入し、又は水素が酸化物半導体層716中の酸素を引き抜き、酸化物半導体層716が低抵抗化(n型化)してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがある。 The gate insulating film 721 can be formed using a material similar to that of the gate insulating film 703 and a similar stacked structure. Note that the gate insulating film 721 preferably contains no impurities such as water and hydrogen as much as possible, and may be a single-layer insulating film or a plurality of stacked insulating films. When hydrogen is contained in the gate insulating film 721, the hydrogen penetrates into the oxide semiconductor layer 716, or the hydrogen extracts oxygen in the oxide semiconductor layer 716, so that the resistance of the oxide semiconductor layer 716 is reduced (n-type reduction). And a parasitic channel may be formed.
よって、ゲート絶縁膜721はできるだけ水素を含まない膜になるように、成膜方法に水素を用いないことが重要である。また、ゲート絶縁膜721は、酸素過剰領域を有するのが好ましい。ゲート絶縁膜721が酸素過剰領域を有していると、酸化物半導体層716からゲート絶縁膜721への酸素の移動を防ぐことができ、且つ、ゲート絶縁膜721から酸化物半導体層716への酸素の供給を行うこともできるためである。 Therefore, it is important not to use hydrogen in the deposition method so that the gate insulating film 721 contains as little hydrogen as possible. The gate insulating film 721 preferably has an oxygen excess region. When the gate insulating film 721 has an oxygen-excess region, oxygen can be prevented from moving from the oxide semiconductor layer 716 to the gate insulating film 721 and from the gate insulating film 721 to the oxide semiconductor layer 716. This is because oxygen can be supplied.
また、ゲート絶縁膜721に、アルカリ金属や、水素及び酸素に対するバリア性の高い材料を用いてもよい。また、ゲート絶縁膜721を、酸素過剰領域を有する絶縁膜とバリア性の高い絶縁膜の積層としてもよい。バリア性の高い絶縁膜としては、例えば、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は窒化酸化アルミニウム膜などを用いることができる。ゲート絶縁膜721を、酸素過剰領域を有する絶縁膜とバリア性の高い絶縁膜の積層とする場合、酸素過剰領域を有する絶縁膜を酸化物半導体層716に接して形成すればよい。 Alternatively, the gate insulating film 721 may be formed using a material having a high barrier property against alkali metal or hydrogen and oxygen. Alternatively, the gate insulating film 721 may be a stack of an insulating film having an oxygen-excess region and an insulating film with high barrier properties. As the insulating film having a high barrier property, for example, a silicon nitride film, a silicon nitride oxide film, an aluminum nitride film, an aluminum oxide film, an aluminum oxynitride film, an aluminum nitride oxide film, or the like can be used. In the case where the gate insulating film 721 is a stack of an insulating film having an oxygen-excess region and an insulating film having a high barrier property, the insulating film having an oxygen-excess region may be formed in contact with the oxide semiconductor layer 716.
バリア性の高い絶縁膜を用いることで、酸化物半導体層716内、或いは、酸化物半導体層716と絶縁膜の界面とその近傍への不純物の侵入を防ぐとともに、酸化物半導体層中からの酸素脱離を防ぐことができる。 By using an insulating film having a high barrier property, impurities can be prevented from entering the oxide semiconductor layer 716 or the interface between the oxide semiconductor layer 716 and the insulating film and the vicinity thereof, and oxygen from the oxide semiconductor layer can be prevented. Desorption can be prevented.
本実施の形態では、スパッタリング法で形成された膜厚200nmの酸化珪素膜上に、スパッタリング法で形成された膜厚100nmの窒化珪素膜を積層させた構造を有する、ゲート絶縁膜721を形成する。成膜時の基板温度は、室温以上300℃以下とすればよく、本実施の形態では100℃とする。 In this embodiment, the gate insulating film 721 having a structure in which a silicon nitride film with a thickness of 100 nm formed by a sputtering method is stacked over a silicon oxide film with a thickness of 200 nm formed by a sputtering method is formed. . The substrate temperature at the time of film formation may be from room temperature to 300 ° C., and is 100 ° C. in this embodiment.
なお、ゲート絶縁膜721を形成した後に、加熱処理を施しても良い。加熱処理は、窒素、超乾燥空気、又は希ガス(アルゴン、ヘリウムなど)の雰囲気下において、好ましくは200℃以上400℃以下、例えば250℃以上350℃以下で行う。上記ガスは、水の含有量が20ppm以下、好ましくは1ppm以下、より好ましくは10ppb以下であることが望ましい。本実施の形態では、例えば、窒素雰囲気下で250℃、1時間の加熱処理を行う。或いは、導電膜719及び導電膜720を形成する前に、水又は水素を低減させるための酸化物半導体層に対して行った先の加熱処理と同様に、高温短時間のRTA処理を行っても良い。酸素を含むゲート絶縁膜721が設けられた後に、加熱処理が施されることによって、酸化物半導体層716に対して行った先の加熱処理により、酸化物半導体層716に酸素欠損が発生していたとしても、ゲート絶縁膜721から酸化物半導体層716に酸素が供与される。 Note that heat treatment may be performed after the gate insulating film 721 is formed. The heat treatment is preferably performed at 200 ° C. to 400 ° C., for example, 250 ° C. to 350 ° C. in an atmosphere of nitrogen, ultra-dry air, or a rare gas (such as argon or helium). The gas preferably has a water content of 20 ppm or less, preferably 1 ppm or less, more preferably 10 ppb or less. In this embodiment, for example, heat treatment is performed at 250 ° C. for one hour in a nitrogen atmosphere. Alternatively, before the conductive films 719 and 720 are formed, high-temperature and short-time RTA treatment may be performed as in the previous heat treatment performed on the oxide semiconductor layer for reducing water or hydrogen. good. By the heat treatment performed after the gate insulating film 721 containing oxygen is provided, oxygen vacancies are generated in the oxide semiconductor layer 716 due to the previous heat treatment performed on the oxide semiconductor layer 716. Even so, oxygen is supplied from the gate insulating film 721 to the oxide semiconductor layer 716.
そして、酸化物半導体層716に酸素が供与されることで、酸化物半導体層716において、ドナーとなる酸素欠損を低減し、化学量論的組成比を満たすことが可能である。その結果、酸化物半導体層716をi型に近づけることができ、酸素欠損によるトランジスタの電気特性のばらつきを軽減し、電気特性の向上を実現することができる。この加熱処理を行うタイミングは、ゲート絶縁膜721の形成後であれば特に限定されず、他の工程、例えば樹脂膜形成時の加熱処理や、透明導電膜を低抵抗化させるための加熱処理と兼ねることで、工程数を増やすことなく、酸化物半導体層716をi型に近づけることができる。 When oxygen is supplied to the oxide semiconductor layer 716, oxygen vacancies serving as donors in the oxide semiconductor layer 716 can be reduced and the stoichiometric composition ratio can be satisfied. As a result, the oxide semiconductor layer 716 can be made to be i-type, variation in electric characteristics of the transistor due to oxygen vacancies can be reduced, and electric characteristics can be improved. The timing of performing this heat treatment is not particularly limited as long as it is after the formation of the gate insulating film 721. Other processes, for example, heat treatment at the time of forming the resin film, and heat treatment for reducing the resistance of the transparent conductive film, By also serving, the oxide semiconductor layer 716 can be made to be i-type without increasing the number of steps.
また、酸素雰囲気下で酸化物半導体層716に加熱処理を施すことで、酸化物半導体に酸素を添加し、酸化物半導体層716中においてドナーとなる酸素欠損を低減させても良い。加熱処理の温度は、例えば100℃以上350℃未満、好ましくは150℃以上250℃未満で行う。上記酸素雰囲気下の加熱処理に用いられる酸素ガスには、水、水素などが含まれないことが好ましい。又は、加熱処理装置に導入する酸素ガスの純度を、6N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち酸素中の不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。 Further, oxygen vacancies serving as donors in the oxide semiconductor layer 716 may be reduced by performing heat treatment on the oxide semiconductor layer 716 in an oxygen atmosphere so that oxygen is added to the oxide semiconductor. The temperature of the heat treatment is, for example, 100 ° C. or higher and lower than 350 ° C., preferably 150 ° C. or higher and lower than 250 ° C. The oxygen gas used for the heat treatment under the oxygen atmosphere preferably does not contain water, hydrogen, or the like. Alternatively, the purity of the oxygen gas introduced into the heat treatment apparatus is 6N (99.9999%) or more, preferably 7N (99.99999%) or more (that is, the impurity concentration in oxygen is 1 ppm or less, preferably 0.1 ppm). Or less).
また、ゲート電極722は、ゲート絶縁膜721上に導電膜を形成した後、該導電膜をエッチング加工することで形成することができる。ゲート電極722は、ゲート電極707、或いは導電膜719及び導電膜720と同様の材料を用いて形成することが可能である。 The gate electrode 722 can be formed by forming a conductive film over the gate insulating film 721 and etching the conductive film. The gate electrode 722 can be formed using a material similar to that of the gate electrode 707 or the conductive films 719 and 720.
ゲート電極722の膜厚は、10nm〜400nm、好ましくは100nm〜200nmとする。本実施の形態では、タングステンターゲットを用いたスパッタリング法により150nmのゲート電極用の導電膜を形成した後、該導電膜をエッチングにより所望の形状に加工することで、ゲート電極722を形成する。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。 The thickness of the gate electrode 722 is 10 nm to 400 nm, preferably 100 nm to 200 nm. In this embodiment, after a 150 nm gate electrode conductive film is formed by a sputtering method using a tungsten target, the conductive film is processed into a desired shape by etching, whereby the gate electrode 722 is formed. Note that the resist mask may be formed by an inkjet method. When the resist mask is formed by an ink-jet method, a manufacturing cost can be reduced because a photomask is not used.
以上の工程により、トランジスタ731が形成される。 Through the above process, the transistor 731 is formed.
また、トランジスタ731はシングルゲート構造のトランジスタを用いて説明したが、必要に応じて、電気的に接続された複数のゲート電極を有することで、チャネル形成領域を複数有する、マルチゲート構造のトランジスタも形成することができる。 Although the transistor 731 is described using a single-gate transistor, a multi-gate transistor having a plurality of channel formation regions by including a plurality of electrically connected gate electrodes as necessary can be used. Can be formed.
なお、酸化物半導体層716に接する絶縁膜(本実施の形態においては、ゲート絶縁膜721が該当する。)は、第13族元素及び酸素を含む絶縁材料を用いるようにしても良い。酸化物半導体材料には第13族元素を含むものが多く、第13族元素を含む絶縁材料は酸化物半導体との相性が良く、これを酸化物半導体層に接する絶縁膜に用いることで、酸化物半導体層との界面の状態を良好に保つことができる。 Note that for the insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 716 (in this embodiment, the gate insulating film 721 corresponds), an insulating material containing a Group 13 element and oxygen may be used. Many oxide semiconductor materials contain a Group 13 element, and an insulating material containing a Group 13 element has good compatibility with an oxide semiconductor. By using this for an insulating film in contact with the oxide semiconductor layer, oxidation can be performed. The state of the interface with the physical semiconductor layer can be kept good.
第13族元素を含む絶縁材料とは、絶縁材料に一又は複数の第13族元素を含むことを意味する。第13族元素を含む絶縁材料としては、例えば、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化アルミニウムガリウム、酸化ガリウムアルミニウムなどがある。ここで、酸化アルミニウムガリウムとは、ガリウムの含有量(原子%)よりアルミニウムの含有量(原子%)が多いものを示し、酸化ガリウムアルミニウムとは、ガリウムの含有量(原子%)がアルミニウムの含有量(原子%)以上のものを示す。 An insulating material containing a Group 13 element means that the insulating material contains one or more Group 13 elements. Examples of the insulating material containing a Group 13 element include gallium oxide, aluminum oxide, aluminum gallium oxide, and gallium aluminum oxide. Here, aluminum gallium oxide indicates that the aluminum content (atomic%) is higher than gallium content (atomic%), and gallium aluminum oxide means that the gallium aluminum content (atomic%) contains aluminum. The amount (atomic%) or more is shown.
例えば、ガリウムを含有する酸化物半導体層に接して絶縁膜を形成する場合に、絶縁膜に酸化ガリウムを含む材料を用いることで酸化物半導体層と絶縁膜の界面特性を良好に保つことができる。例えば、酸化物半導体層と酸化ガリウムを含む絶縁膜とを接して設けることにより、酸化物半導体層と絶縁膜の界面における水素のパイルアップを低減することができる。なお、絶縁膜に酸化物半導体の成分元素と同じ族の元素を用いる場合には、同様の効果を得ることが可能である。例えば、酸化アルミニウムを含む材料を用いて絶縁膜を形成することも有効である。なお、酸化アルミニウムはバリア性を有する材料であり、水を透過させにくいという特性も有しているため、当該材料を用いることは、酸化物半導体層への水の侵入防止という点においても好ましい。 For example, when an insulating film is formed in contact with an oxide semiconductor layer containing gallium, the interface characteristics between the oxide semiconductor layer and the insulating film can be kept favorable by using a material containing gallium oxide for the insulating film. . For example, when an oxide semiconductor layer and an insulating film containing gallium oxide are provided in contact with each other, pileup of hydrogen at the interface between the oxide semiconductor layer and the insulating film can be reduced. Note that a similar effect can be obtained when an element of the same group as a constituent element of the oxide semiconductor is used for the insulating film. For example, it is also effective to form an insulating film using a material containing aluminum oxide. Note that aluminum oxide is a material having a barrier property and has a characteristic that water is difficult to permeate. Therefore, the use of the material is preferable in terms of preventing water from entering the oxide semiconductor layer.
また、ゲート絶縁膜721と同様に、絶縁膜713も酸素過剰領域(化学量論的組成比より酸素が多い領域)を有する材料で形成することが好ましい。絶縁膜713と酸化物半導体層716の間に、酸素過剰領域を有する絶縁膜を形成してもよい。 Similarly to the gate insulating film 721, the insulating film 713 is preferably formed using a material having an oxygen-excess region (a region where oxygen is higher than the stoichiometric composition ratio). An insulating film having an oxygen-excess region may be formed between the insulating film 713 and the oxide semiconductor layer 716.
絶縁膜に酸素ドープ処理を行うことにより、酸素過剰領域を有する絶縁膜とすることもできる。酸素ドープとは、酸素をバルクに添加することをいう。なお、当該バルクの用語は、酸素を薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、酸素ドープには、プラズマ化した酸素をバルクに添加する酸素プラズマドープが含まれる。また、酸素ドープは、イオン注入法、イオンドーピング法、またはプラズマドープ法を用いて行ってもよい。 By performing oxygen doping treatment on the insulating film, an insulating film having an oxygen excess region can be obtained. Oxygen doping means adding oxygen to the bulk. The term “bulk” is used for the purpose of clarifying that oxygen is added not only to the surface of the thin film but also to the inside of the thin film. The oxygen dope includes oxygen plasma dope in which plasma oxygen is added to the bulk. Further, oxygen doping may be performed using an ion implantation method, an ion doping method, or a plasma doping method.
例えば、酸化物半導体層716に接する絶縁膜として酸化ガリウムを用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化ガリウムの組成をGa2OX(X=3+α、0<α<1)とすることができる。 For example, in the case where gallium oxide is used as the insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 716, the composition of gallium oxide is changed to Ga 2 O X (X = 3 + α, 0 <α by performing heat treatment in an oxygen atmosphere or oxygen doping. <1).
また、酸化物半導体層716に接する絶縁膜として酸化アルミニウムを用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化アルミニウムの組成をAl2OX(X=3+α、0<α<1)とすることができる。 In the case where aluminum oxide is used as the insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 716, the composition of the aluminum oxide is changed to Al 2 O X (X = 3 + α, 0 <α by performing heat treatment in an oxygen atmosphere or oxygen doping. <1).
また、酸化物半導体層716に接する絶縁膜として酸化ガリウムアルミニウム(酸化アルミニウムガリウム)を用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化ガリウムアルミニウム(酸化アルミニウムガリウム)の組成をGaXAl2−XO3+α(0<X<2、0<α<1)とすることができる。 In the case where gallium aluminum oxide (aluminum gallium oxide) is used as the insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 716, the composition of gallium aluminum oxide (aluminum gallium oxide) is changed by performing heat treatment in an oxygen atmosphere or oxygen doping. Ga X Al 2-X O 3 + α (0 <X <2,0 <α <1) can be.
酸素過剰領域を有する絶縁膜を、酸化物半導体層716に接するように形成し、加熱処理を行うことで、絶縁膜中の過剰な酸素が酸化物半導体層に供給され、酸化物半導体層中、又は酸化物半導体層と絶縁膜の界面における酸素欠陥を低減し、酸化物半導体層をi型化又はi型に限りなく近くすることができる。 By forming an insulating film having an oxygen-excess region so as to be in contact with the oxide semiconductor layer 716 and performing heat treatment, excess oxygen in the insulating film is supplied to the oxide semiconductor layer. Alternatively, oxygen defects at the interface between the oxide semiconductor layer and the insulating film can be reduced, and the oxide semiconductor layer can be i-type or i-type as close as possible.
なお、酸素過剰領域を有する絶縁膜は、酸化物半導体層716に接する絶縁膜のうち、上層に位置する絶縁膜又は下層に位置する絶縁膜のうち、どちらか一方のみに用いても良いが、両方の絶縁膜に用いる方が好ましい。酸素過剰領域を有する絶縁膜を、酸化物半導体層716に接する絶縁膜の、上層及び下層に位置する絶縁膜に用い、酸化物半導体層716を挟む構成とすることで、上記効果をより高めることができる。 Note that the insulating film having an oxygen-excess region may be used for only one of the insulating film located in the upper layer or the insulating film located in the lower layer among the insulating films in contact with the oxide semiconductor layer 716. It is preferable to use it for both insulating films. By using an insulating film having an oxygen-excess region as an insulating film located above and below the insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 716 and sandwiching the oxide semiconductor layer 716, the above effect can be further enhanced. Can do.
また、酸化物半導体層716の上層又は下層に用いる絶縁膜は、上層と下層で同じ構成元素を有する絶縁膜としても良いし、異なる構成元素を有する絶縁膜としても良い。例えば、上層と下層とも、組成がGa2OX(X=3+α、0<α<1)の酸化ガリウムとしても良いし、上層と下層の一方を組成がGa2OX(X=3+α、0<α<1)の酸化ガリウムとし、他方を組成がAl2OX(X=3+α、0<α<1)の酸化アルミニウムとしても良い。 The insulating film used for the upper layer or the lower layer of the oxide semiconductor layer 716 may be an insulating film having the same constituent element in the upper layer and the lower layer, or may be an insulating film having different constituent elements. For example, the upper layer and the lower layer may be gallium oxide having a composition of Ga 2 O X (X = 3 + α, 0 <α <1), and one of the upper layer and the lower layer may have a composition of Ga 2 O X (X = 3 + α, 0 <Α <1) may be gallium oxide, and the other may be aluminum oxide having a composition of Al 2 O X (X = 3 + α, 0 <α <1).
また、酸化物半導体層716に接する絶縁膜は、酸素過剰領域を有する絶縁膜の積層としても良い。例えば、酸化物半導体層716の上層に組成がGa2OX(X=3+α、0<α<1)の酸化ガリウムを形成し、その上に組成がGaXAl2−XO3+α(0<X<2、0<α<1)の酸化ガリウムアルミニウム(酸化アルミニウムガリウム)を形成してもよい。 The insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 716 may be a stack of insulating films having an oxygen-excess region. For example, gallium oxide having a composition of Ga 2 O X (X = 3 + α, 0 <α <1) is formed over the oxide semiconductor layer 716, and the composition of the gallium oxide is Ga X Al 2 -X O 3 + α (0 < You may form the gallium aluminum oxide (aluminum gallium oxide) of X <2, 0 <α <1).
次に、図14(C)に示すように、ゲート絶縁膜721、及びゲート電極722を覆うように、絶縁膜724を形成する。絶縁膜724は、PVD法やCVD法などを用いて形成することができる。また、酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化珪素、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、酸化アルミニウム等の無機絶縁材料を含む材料を用いて形成することができる。なお、絶縁膜724には、誘電率の低い材料や、誘電率の低い構造(多孔性の構造など)を用いることが望ましい。絶縁膜724の誘電率を低くすることにより、配線や電極などの間に生じる寄生容量を低減し、動作の高速化を図ることができるためである。なお、本実施の形態では、絶縁膜724を単層構造としているが、本発明の一態様はこれに限定されず、2層以上の積層構造としても良い。 Next, as illustrated in FIG. 14C, an insulating film 724 is formed so as to cover the gate insulating film 721 and the gate electrode 722. The insulating film 724 can be formed by a PVD method, a CVD method, or the like. Alternatively, the insulating layer can be formed using a material including an inorganic insulating material such as silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride, hafnium oxide, gallium oxide, or aluminum oxide. Note that the insulating film 724 is preferably formed using a material with a low dielectric constant or a structure with a low dielectric constant (such as a porous structure). This is because by reducing the dielectric constant of the insulating film 724, parasitic capacitance generated between wirings and electrodes can be reduced, and operation speed can be increased. Note that although the insulating film 724 has a single-layer structure in this embodiment, one embodiment of the present invention is not limited to this, and a stacked structure of two or more layers may be used.
次に、ゲート絶縁膜721、絶縁膜724に開口部725を形成し、導電膜720の一部を露出させる。その後、絶縁膜724上に、上記開口部725において導電膜720と接する配線726を形成する。 Next, an opening 725 is formed in the gate insulating film 721 and the insulating film 724 so that part of the conductive film 720 is exposed. After that, a wiring 726 that is in contact with the conductive film 720 in the opening 725 is formed over the insulating film 724.
配線726は、PVD法や、CVD法を用いて導電膜を形成した後、当該導電膜をエッチング加工することによって形成される。また、導電膜の材料としては、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた元素や、上述した元素を成分とする合金等を用いることができる。マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、ネオジム、スカンジウムのいずれか、又はこれらを複数組み合わせた材料を用いてもよい。 The wiring 726 is formed by forming a conductive film using a PVD method or a CVD method and then etching the conductive film. As a material for the conductive film, an element selected from aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, and tungsten, an alloy containing the above-described element as a component, or the like can be used. Any of manganese, magnesium, zirconium, beryllium, neodymium, scandium, or a combination of these materials may be used.
より具体的には、例えば、絶縁膜724の開口を含む領域にPVD法によりチタン膜を薄く(5nm程度)形成した後に、開口部725に埋め込むようにアルミニウム膜を形成する方法を用いることができる。ここで、PVD法により形成されるチタン膜は、被形成面の酸化膜(自然酸化膜など)を還元し、下部電極など(ここでは導電膜720)との接触抵抗を低減させる機能を有する。また、アルミニウム膜のヒロックを防止することができる。また、チタンや窒化チタンなどによるバリア膜を形成した後に、メッキ法により銅膜を形成してもよい。 More specifically, for example, a method of forming an aluminum film so as to be embedded in the opening 725 after forming a thin titanium film (about 5 nm) by PVD in a region including the opening of the insulating film 724 can be used. . Here, the titanium film formed by the PVD method has a function of reducing an oxide film (natural oxide film or the like) on the surface to be formed and reducing contact resistance with the lower electrode or the like (here, the conductive film 720). Further, hillocks of the aluminum film can be prevented. Further, after forming a barrier film made of titanium, titanium nitride, or the like, a copper film may be formed by a plating method.
絶縁膜724に形成する開口部725は、導電膜708と重畳する領域に形成することが望ましい。このような領域に開口部725を形成することで、コンタクト領域に起因する素子面積の増大を抑制することができる。 The opening 725 formed in the insulating film 724 is preferably formed in a region overlapping with the conductive film 708. By forming the opening 725 in such a region, an increase in element area due to the contact region can be suppressed.
ここで、導電膜708を用いずに、不純物領域704と導電膜720との接続と、導電膜720と配線726との接続とを重畳させる場合について説明する。この場合、不純物領域704上に形成された絶縁膜712、絶縁膜713に開口部(下部の開口部と呼ぶ)を形成し、下部の開口部を覆うように導電膜720を形成した後、ゲート絶縁膜721及び絶縁膜724において、下部の開口部と重畳する領域に開口部(上部の開口部と呼ぶ)を形成し、配線726を形成することになる。下部の開口部と重畳する領域に上部の開口部を形成する際に、エッチングにより下部の開口部に形成された導電膜720が断線してしまうおそれがある。これを避けるために、下部の開口部と上部の開口部が重畳しないように形成することにより、素子面積が増大するという問題がおこる。 Here, the case where the connection between the impurity region 704 and the conductive film 720 and the connection between the conductive film 720 and the wiring 726 are overlapped without using the conductive film 708 is described. In this case, an opening (referred to as a lower opening) is formed in the insulating film 712 and the insulating film 713 formed over the impurity region 704, a conductive film 720 is formed so as to cover the lower opening, and then the gate is formed. In the insulating film 721 and the insulating film 724, an opening (referred to as an upper opening) is formed in a region overlapping with the lower opening, and the wiring 726 is formed. When the upper opening is formed in a region overlapping with the lower opening, the conductive film 720 formed in the lower opening may be disconnected by etching. In order to avoid this, if the lower opening and the upper opening are formed so as not to overlap, there is a problem that the element area increases.
本実施の形態に示すように、導電膜708を用いることにより、導電膜720を断線させずに上部の開口部を形成することが可能となる。これにより、下部の開口部と上部の開口部を重畳させて設けることができるため、開口部に起因する素子面積の増大を抑制することができる。つまり、半導体装置の集積度を高めることができる。 As shown in this embodiment mode, by using the conductive film 708, an upper opening can be formed without disconnecting the conductive film 720. Accordingly, since the lower opening and the upper opening can be provided so as to overlap with each other, an increase in element area due to the opening can be suppressed. That is, the degree of integration of the semiconductor device can be increased.
次に、配線726を覆うように絶縁膜727を形成する。上述した一連の工程により、FF回路を作製することができる。 Next, an insulating film 727 is formed so as to cover the wiring 726. Through the series of steps described above, an FF circuit can be manufactured.
なお、上記作製方法では、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜719及び導電膜720が、酸化物半導体層716の後に形成されている。よって、図14(B)に示すように、上記作製方法によって得られるトランジスタ731は、導電膜719及び導電膜720が、酸化物半導体層716の上に形成されている。しかし、トランジスタ731は、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜が、酸化物半導体層716の下、すなわち、酸化物半導体層716と絶縁膜712及び絶縁膜713の間に設けられていても良い。 Note that in the above manufacturing method, the conductive films 719 and 720 functioning as a source electrode and a drain electrode are formed after the oxide semiconductor layer 716. Thus, as illustrated in FIG. 14B, in the transistor 731 obtained by the above manufacturing method, the conductive film 719 and the conductive film 720 are formed over the oxide semiconductor layer 716. However, in the transistor 731, a conductive film functioning as a source electrode and a drain electrode may be provided under the oxide semiconductor layer 716, that is, between the oxide semiconductor layer 716, the insulating film 712, and the insulating film 713. .
図15に、ソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜719及び導電膜720が、酸化物半導体層716と絶縁膜712及び絶縁膜713の間に設けられている場合の、トランジスタ731の断面図を示す。図15に示すトランジスタ731は、絶縁膜713を形成した後に導電膜719及び導電膜720の形成を行い、次いで酸化物半導体層716の形成を行うことで、得ることができる。 FIG. 15 is a cross-sectional view of the transistor 731 in the case where the conductive films 719 and 720 functioning as a source electrode and a drain electrode are provided between the oxide semiconductor layer 716, the insulating film 712, and the insulating film 713. Show. The transistor 731 illustrated in FIG. 15 can be obtained by forming the conductive film 719 and the conductive film 720 after forming the insulating film 713 and then forming the oxide semiconductor layer 716.
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in combination with any of the above embodiments as appropriate.
(実施の形態6)
本実施の形態では、実施の形態4とは異なる構造を有した酸化物半導体層を用いたトランジスタについて、図16に示す断面図を用いて説明する。なお、図16(A)乃至図16(E)は、トップゲート型トランジスタの構造例を示している。また、図16(A)、図16(C)、及び図16(E)はプレーナ型(コプレーナ型)トランジスタの構造例を示しており、図16(B)、及び図16(D)はスタガ型トランジスタの構造例を示している。
(Embodiment 6)
In this embodiment, a transistor including an oxide semiconductor layer having a structure different from that in Embodiment 4 will be described with reference to a cross-sectional view in FIG. 16A to 16E illustrate structural examples of top-gate transistors. FIGS. 16A, 16C, and 16E show structural examples of planar (coplanar) transistors, and FIGS. 16B and 16D show staggered transistors. The structure example of a type transistor is shown.
図16(A)に示すトランジスタ901は、下地膜902上に形成された、活性層として機能する酸化物半導体層903と、酸化物半導体層903上に形成されたソース電極904及びドレイン電極905と、酸化物半導体層903、ソース電極904及びドレイン電極905上のゲート絶縁膜906と、ゲート絶縁膜906上において酸化物半導体層903と重なる位置に設けられたゲート電極907と、ゲート電極907上において酸化物半導体層903を覆う保護絶縁膜910とを有する。 A transistor 901 illustrated in FIG. 16A includes an oxide semiconductor layer 903 that functions as an active layer and is formed over a base film 902, and a source electrode 904 and a drain electrode 905 that are formed over the oxide semiconductor layer 903. A gate insulating film 906 over the oxide semiconductor layer 903, the source electrode 904, and the drain electrode 905, a gate electrode 907 provided on the gate insulating film 906 so as to overlap with the oxide semiconductor layer 903, and over the gate electrode 907 A protective insulating film 910 which covers the oxide semiconductor layer 903.
図16(A)に示すトランジスタ901は、ゲート電極907が酸化物半導体層903の上に形成されているトップゲート型であり、なおかつ、ソース電極904及びドレイン電極905が酸化物半導体層903の上に形成されているトップコンタクト型である。そして、トランジスタ901は、ソース電極904及びドレイン電極905と、ゲート電極907とが重なっていない。すなわち、ソース電極904及びドレイン電極905とゲート電極907との間には、ゲート絶縁膜906の膜厚よりも大きい間隔が設けられている。よって、トランジスタ901は、ソース電極904及びドレイン電極905とゲート電極907との間に形成される寄生容量を小さく抑えることができるので、高速動作を実現することができる。 A transistor 901 illustrated in FIG. 16A is a top-gate transistor in which a gate electrode 907 is formed over an oxide semiconductor layer 903, and a source electrode 904 and a drain electrode 905 are formed over the oxide semiconductor layer 903. The top contact type formed in In the transistor 901, the source electrode 904 and the drain electrode 905 are not overlapped with the gate electrode 907. That is, a gap larger than the thickness of the gate insulating film 906 is provided between the source electrode 904 and the drain electrode 905 and the gate electrode 907. Accordingly, the transistor 901 can suppress a parasitic capacitance formed between the source electrode 904 and the drain electrode 905 and the gate electrode 907, so that high-speed operation can be realized.
また、酸化物半導体層903は、ゲート電極907が形成された後に酸化物半導体層903にn型の導電性を付与するドーパントを添加することで得られる、一対の高濃度領域908を有する。また、酸化物半導体層903のうち、ゲート絶縁膜906を間に挟んでゲート電極907と重なる領域がチャネル形成領域909である。酸化物半導体層903では、一対の高濃度領域908の間にチャネル形成領域909が設けられている。高濃度領域908を形成するためのドーパントの添加は、イオン注入法を用いることができる。ドーパントは、例えばヘリウム、アルゴン、キセノンなどの希ガスや、窒素、リン、ヒ素、アンチモン、ホウ素などを用いることができる。 The oxide semiconductor layer 903 includes a pair of high-concentration regions 908 obtained by adding a dopant that imparts n-type conductivity to the oxide semiconductor layer 903 after the gate electrode 907 is formed. Further, in the oxide semiconductor layer 903, a region which overlaps with the gate electrode 907 with the gate insulating film 906 interposed therebetween is a channel formation region 909. In the oxide semiconductor layer 903, a channel formation region 909 is provided between the pair of high concentration regions 908. The dopant for forming the high concentration region 908 can be added by an ion implantation method. As the dopant, for example, a rare gas such as helium, argon, or xenon, nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony, boron, or the like can be used.
例えば、窒素をドーパントとして用いた場合、高濃度領域908中の窒素原子の濃度は、5×1019/cm3以上1×1022/cm3以下であることが望ましい。 For example, when nitrogen is used as a dopant, the concentration of nitrogen atoms in the high concentration region 908 is preferably 5 × 10 19 / cm 3 or more and 1 × 10 22 / cm 3 or less.
n型の導電性を付与するドーパントが添加されている高濃度領域908は、酸化物半導体層903中の他の領域に比べて導電性が高くなる。よって、高濃度領域908を酸化物半導体層903に設けることで、ソース電極904とドレイン電極905の間の抵抗を下げることができる。 The high-concentration region 908 to which a dopant imparting n-type conductivity is added has higher conductivity than other regions in the oxide semiconductor layer 903. Therefore, the resistance between the source electrode 904 and the drain electrode 905 can be reduced by providing the high-concentration region 908 in the oxide semiconductor layer 903.
また、In−Ga−Zn系酸化物を酸化物半導体層903に用いた場合、窒素を添加した後、300℃以上600℃以下で1時間程度加熱処理を施すことにより、高濃度領域908中の酸化物半導体はウルツ鉱型の結晶構造を有するようになる。高濃度領域908中の酸化物半導体がウルツ鉱型の結晶構造を有することで、さらに高濃度領域908の導電性を高め、ソース電極904とドレイン電極905の間の抵抗を下げることができる。なお、ウルツ鉱型の結晶構造を有する酸化物半導体を形成して、ソース電極904とドレイン電極905の間の抵抗を効果的に下げるためには、窒素をドーパントとして用いた場合、高濃度領域908中の窒素原子の濃度を、1×1020/cm3以上7atoms%以下とすることが望ましい。しかし、窒素原子が上記範囲よりも低い濃度であっても、ウルツ鉱型の結晶構造を有する酸化物半導体が得られる場合もある。 In the case where an In—Ga—Zn-based oxide is used for the oxide semiconductor layer 903, heat treatment is performed at a temperature of 300 ° C. to 600 ° C. for about 1 hour after adding nitrogen. An oxide semiconductor has a wurtzite crystal structure. When the oxide semiconductor in the high concentration region 908 has a wurtzite crystal structure, the conductivity of the high concentration region 908 can be further increased and the resistance between the source electrode 904 and the drain electrode 905 can be reduced. Note that in order to form an oxide semiconductor having a wurtzite crystal structure and effectively reduce the resistance between the source electrode 904 and the drain electrode 905, when nitrogen is used as a dopant, the high concentration region 908 is used. It is desirable that the concentration of nitrogen atoms in the inside be 1 × 10 20 / cm 3 or more and 7 atoms% or less. However, an oxide semiconductor having a wurtzite crystal structure may be obtained even when the concentration of nitrogen atoms is lower than the above range.
また、酸化物半導体層903は、CAAC−OSで構成されていても良い。酸化物半導体層903がCAAC−OSで構成されている場合、非晶質の場合に比べて酸化物半導体層903の導電率を高めることができるので、ソース電極904とドレイン電極905の間の抵抗を下げることができる。 The oxide semiconductor layer 903 may be formed using a CAAC-OS. In the case where the oxide semiconductor layer 903 is formed using a CAAC-OS, the conductivity of the oxide semiconductor layer 903 can be increased as compared with the case where the oxide semiconductor layer 903 is amorphous, and thus the resistance between the source electrode 904 and the drain electrode 905 is increased. Can be lowered.
そして、ソース電極904とドレイン電極905の間の抵抗を下げることで、トランジスタ901の微細化を進めても、高いオン電流と、高速動作を確保することができる。また、トランジスタ901の微細化により、当該トランジスタを用いた半導体装置の占める面積を縮小化し、単位面積あたりのトランジスタ数を高めることができる。 By reducing the resistance between the source electrode 904 and the drain electrode 905, high on-state current and high-speed operation can be ensured even when the transistor 901 is miniaturized. Further, by miniaturization of the transistor 901, the area occupied by a semiconductor device using the transistor can be reduced and the number of transistors per unit area can be increased.
図16(B)に示すトランジスタ911は、下地膜912上に形成されたソース電極914及びドレイン電極915と、ソース電極914及びドレイン電極915上に形成された活性層として機能する酸化物半導体層913と、酸化物半導体層913、ソース電極914及びドレイン電極915上のゲート絶縁膜916と、ゲート絶縁膜916上において酸化物半導体層913と重なる位置に設けられたゲート電極917と、ゲート電極917上において酸化物半導体層913を覆う保護絶縁膜920とを有する。 A transistor 911 illustrated in FIG. 16B includes a source electrode 914 and a drain electrode 915 formed over a base film 912, and an oxide semiconductor layer 913 functioning as an active layer formed over the source electrode 914 and the drain electrode 915. A gate insulating film 916 over the oxide semiconductor layer 913, the source electrode 914, and the drain electrode 915, a gate electrode 917 provided on the gate insulating film 916 so as to overlap with the oxide semiconductor layer 913, and a gate electrode 917 A protective insulating film 920 covering the oxide semiconductor layer 913.
図16(B)に示すトランジスタ911は、ゲート電極917が酸化物半導体層913の上に形成されているトップゲート型であり、なおかつ、ソース電極914及びドレイン電極915が酸化物半導体層913の下に形成されているボトムコンタクト型である。そして、トランジスタ911は、トランジスタ901と同様に、ソース電極914及びドレイン電極915と、ゲート電極917とが重なっていないので、ソース電極914及びドレイン電極915とゲート電極917との間に形成される寄生容量を小さく抑えることができ、高速動作を実現することができる。 A transistor 911 illustrated in FIG. 16B is a top-gate transistor in which a gate electrode 917 is formed over an oxide semiconductor layer 913, and a source electrode 914 and a drain electrode 915 are formed under the oxide semiconductor layer 913. The bottom contact type formed in Since the source electrode 914 and the drain electrode 915 do not overlap with the gate electrode 917 as in the transistor 901, the transistor 911 is a parasitic formed between the source electrode 914 and the drain electrode 915 and the gate electrode 917. The capacity can be kept small, and high-speed operation can be realized.
また、酸化物半導体層913は、ゲート電極917が形成された後に酸化物半導体層913にn型の導電性を付与するドーパントを添加することで得られる、一対の高濃度領域918を有する。また、酸化物半導体層913のうち、ゲート絶縁膜916を間に挟んでゲート電極917と重なる領域がチャネル形成領域919である。酸化物半導体層913では、一対の高濃度領域918の間にチャネル形成領域919が設けられている。 The oxide semiconductor layer 913 includes a pair of high-concentration regions 918 obtained by adding a dopant that imparts n-type conductivity to the oxide semiconductor layer 913 after the gate electrode 917 is formed. In the oxide semiconductor layer 913, a region overlapping with the gate electrode 917 with the gate insulating film 916 interposed therebetween is a channel formation region 919. In the oxide semiconductor layer 913, a channel formation region 919 is provided between the pair of high concentration regions 918.
高濃度領域918は、上述した、トランジスタ901が有する高濃度領域908の場合と同様に、イオン注入法を用いて形成することができる。そして、高濃度領域918を形成するためのドーパントの種類については、高濃度領域908の場合を参照することができる。 The high concentration region 918 can be formed by an ion implantation method as in the case of the high concentration region 908 included in the transistor 901 described above. For the type of dopant for forming the high concentration region 918, the case of the high concentration region 908 can be referred to.
例えば、窒素をドーパントとして用いた場合、高濃度領域918中の窒素原子の濃度は、5×1019/cm3以上1×1022/cm3以下であることが望ましい。 For example, when nitrogen is used as a dopant, the concentration of nitrogen atoms in the high concentration region 918 is preferably 5 × 10 19 / cm 3 or more and 1 × 10 22 / cm 3 or less.
n型の導電性を付与するドーパントが添加されている高濃度領域918は、酸化物半導体層913中の他の領域に比べて導電性が高くなる。よって、高濃度領域918を酸化物半導体層913に設けることで、ソース電極914とドレイン電極915の間の抵抗を下げることができる。 The high-concentration region 918 to which the dopant imparting n-type conductivity is added has higher conductivity than other regions in the oxide semiconductor layer 913. Therefore, by providing the high-concentration region 918 in the oxide semiconductor layer 913, resistance between the source electrode 914 and the drain electrode 915 can be reduced.
また、In−Ga−Zn系酸化物を酸化物半導体層913に用いた場合、窒素を添加した後、300℃以上600℃以下程度で加熱処理を施すことにより、高濃度領域918中の酸化物半導体はウルツ鉱型の結晶構造を有するようになる。高濃度領域918中の酸化物半導体がウルツ鉱型の結晶構造を有することで、さらに高濃度領域918の導電性を高め、ソース電極914とドレイン電極915の間の抵抗を下げることができる。なお、ウルツ鉱型の結晶構造を有する酸化物半導体を形成して、ソース電極914とドレイン電極915の間の抵抗を効果的に下げるためには、窒素をドーパントとして用いた場合、高濃度領域918中の窒素原子の濃度を、1×1020/cm3以上7atoms%以下とすることが望ましい。しかし、窒素原子が上記範囲よりも低い濃度であっても、ウルツ鉱型の結晶構造を有する酸化物半導体が得られる場合もある。 In the case where an In—Ga—Zn-based oxide is used for the oxide semiconductor layer 913, the oxide in the high-concentration region 918 is subjected to heat treatment at about 300 ° C. to 600 ° C. after adding nitrogen. The semiconductor has a wurtzite crystal structure. When the oxide semiconductor in the high concentration region 918 has a wurtzite crystal structure, the conductivity of the high concentration region 918 can be further increased and the resistance between the source electrode 914 and the drain electrode 915 can be reduced. Note that in order to form an oxide semiconductor having a wurtzite crystal structure and effectively reduce the resistance between the source electrode 914 and the drain electrode 915, when nitrogen is used as a dopant, the high concentration region 918 is used. It is desirable that the concentration of nitrogen atoms in the inside be 1 × 10 20 / cm 3 or more and 7 atoms% or less. However, an oxide semiconductor having a wurtzite crystal structure may be obtained even when the concentration of nitrogen atoms is lower than the above range.
また、酸化物半導体層913は、CAAC−OSで構成されていても良い。酸化物半導体層913がCAAC−OSで構成されている場合、非晶質の場合に比べて酸化物半導体層913の導電率を高めることができるので、ソース電極914とドレイン電極915の間の抵抗を下げることができる。 The oxide semiconductor layer 913 may be formed using a CAAC-OS. In the case where the oxide semiconductor layer 913 is formed using a CAAC-OS, the conductivity of the oxide semiconductor layer 913 can be higher than that in the case where the oxide semiconductor layer 913 is amorphous; thus, the resistance between the source electrode 914 and the drain electrode 915 can be increased. Can be lowered.
そして、ソース電極914とドレイン電極915の間の抵抗を下げることで、トランジスタ911の微細化を進めても、高いオン電流と、高速動作を確保することができる。また、トランジスタ911の微細化により、当該トランジスタを用いた半導体装置の占める面積を縮小化し、単位面積あたりのトランジスタ数を高めることができる。 Then, by reducing the resistance between the source electrode 914 and the drain electrode 915, high on-state current and high-speed operation can be ensured even when the transistor 911 is miniaturized. Further, by miniaturization of the transistor 911, an area occupied by a semiconductor device using the transistor can be reduced and the number of transistors per unit area can be increased.
図16(C)に示すトランジスタ921は、下地膜922上に形成された、活性層として機能する酸化物半導体層923と、酸化物半導体層923上に形成されたソース電極924及びドレイン電極925と、酸化物半導体層923、ソース電極924及びドレイン電極925上のゲート絶縁膜926と、ゲート絶縁膜926上において酸化物半導体層923と重なる位置に設けられたゲート電極927と、ゲート電極927上において酸化物半導体層923を覆う保護絶縁膜932とを有する。さらに、トランジスタ921は、ゲート電極927の側部に設けられた、絶縁物で形成されたサイドウォール930を有する。 A transistor 921 illustrated in FIG. 16C includes an oxide semiconductor layer 923 that functions as an active layer formed over a base film 922, a source electrode 924, and a drain electrode 925 formed over the oxide semiconductor layer 923. A gate insulating film 926 over the oxide semiconductor layer 923, the source electrode 924, and the drain electrode 925, a gate electrode 927 provided on the gate insulating film 926 so as to overlap with the oxide semiconductor layer 923, and over the gate electrode 927 A protective insulating film 932 covering the oxide semiconductor layer 923; Further, the transistor 921 includes a sidewall 930 formed of an insulator and provided on a side portion of the gate electrode 927.
図16(C)に示すトランジスタ921は、ゲート電極927が酸化物半導体層923の上に形成されているトップゲート型であり、なおかつ、ソース電極924及びドレイン電極925が酸化物半導体層923の上に形成されているトップコンタクト型である。そして、トランジスタ921は、トランジスタ901と同様に、ソース電極924及びドレイン電極925と、ゲート電極927とが重なっていないので、ソース電極924及びドレイン電極925とゲート電極927との間に形成される寄生容量を小さく抑えることができ、高速動作を実現することができる。 A transistor 921 illustrated in FIG. 16C is a top-gate transistor in which a gate electrode 927 is formed over the oxide semiconductor layer 923, and a source electrode 924 and a drain electrode 925 are formed over the oxide semiconductor layer 923. The top contact type formed in Since the source electrode 924, the drain electrode 925, and the gate electrode 927 do not overlap with each other as in the transistor 901, the transistor 921 is a parasitic element formed between the source electrode 924, the drain electrode 925, and the gate electrode 927. The capacity can be kept small, and high-speed operation can be realized.
また、酸化物半導体層923は、ゲート電極927が形成された後に酸化物半導体層923にn型の導電性を付与するドーパントを添加することで得られる、一対の高濃度領域928と、一対の低濃度領域929とを有する。また、酸化物半導体層923のうち、ゲート絶縁膜926を間に挟んでゲート電極927と重なる領域がチャネル形成領域931である。酸化物半導体層923では、一対の高濃度領域928の間に一対の低濃度領域929が設けられ、一対の低濃度領域929の間にチャネル形成領域931が設けられている。そして、一対の低濃度領域929は、酸化物半導体層923中の、ゲート絶縁膜926を間に挟んでサイドウォール930と重なる領域に設けられている。 The oxide semiconductor layer 923 includes a pair of high-concentration regions 928 obtained by adding a dopant imparting n-type conductivity to the oxide semiconductor layer 923 after the gate electrode 927 is formed, and a pair of And a low concentration region 929. In the oxide semiconductor layer 923, a region overlapping with the gate electrode 927 with the gate insulating film 926 interposed therebetween is a channel formation region 931. In the oxide semiconductor layer 923, a pair of low concentration regions 929 is provided between the pair of high concentration regions 928, and a channel formation region 931 is provided between the pair of low concentration regions 929. The pair of low-concentration regions 929 are provided in regions of the oxide semiconductor layer 923 that overlap with the sidewalls 930 with the gate insulating film 926 interposed therebetween.
高濃度領域928及び低濃度領域929は、上述した、トランジスタ901が有する高濃度領域908の場合と同様に、イオン注入法を用いて形成することができる。そして、高濃度領域928を形成するためのドーパントの種類については、高濃度領域908の場合を参照することができる。 The high concentration region 928 and the low concentration region 929 can be formed by an ion implantation method as in the case of the high concentration region 908 included in the transistor 901 described above. For the type of dopant for forming the high concentration region 928, the case of the high concentration region 908 can be referred to.
例えば、窒素をドーパントとして用いた場合、高濃度領域928中の窒素原子の濃度は、5×1019/cm3以上1×1022/cm3以下であることが望ましい。また、例えば、窒素をドーパントとして用いた場合、低濃度領域929中の窒素原子の濃度は、5×1018/cm3以上5×1019/cm3未満であることが望ましい。 For example, when nitrogen is used as a dopant, the concentration of nitrogen atoms in the high concentration region 928 is preferably 5 × 10 19 / cm 3 or more and 1 × 10 22 / cm 3 or less. For example, when nitrogen is used as a dopant, the concentration of nitrogen atoms in the low-concentration region 929 is preferably 5 × 10 18 / cm 3 or more and less than 5 × 10 19 / cm 3 .
n型の導電性を付与するドーパントが添加されている高濃度領域928は、酸化物半導体層923中の他の領域に比べて導電性が高くなる。よって、高濃度領域928を酸化物半導体層923に設けることで、ソース電極924とドレイン電極925の間の抵抗を下げることができる。また、低濃度領域929をチャネル形成領域931と高濃度領域928の間に設けることで、短チャネル効果によるしきい値電圧のマイナスシフトを軽減することができる。 The high-concentration region 928 to which the dopant imparting n-type conductivity is added has higher conductivity than the other regions in the oxide semiconductor layer 923. Therefore, the resistance between the source electrode 924 and the drain electrode 925 can be reduced by providing the high-concentration region 928 in the oxide semiconductor layer 923. Further, by providing the low concentration region 929 between the channel formation region 931 and the high concentration region 928, a minus shift of the threshold voltage due to the short channel effect can be reduced.
また、In−Ga−Zn系酸化物を酸化物半導体層923に用いた場合、窒素を添加した後、300℃以上600℃以下程度で加熱処理を施すことにより、高濃度領域928中の酸化物半導体はウルツ鉱型の結晶構造を有するようになる。またさらに、低濃度領域929も、窒素の濃度によっては、上記加熱処理によりウルツ鉱型の結晶構造を有する場合もある。高濃度領域928中の酸化物半導体がウルツ鉱型の結晶構造を有することで、さらに高濃度領域928の導電性を高め、ソース電極924とドレイン電極925の間の抵抗を下げることができる。なお、ウルツ鉱型の結晶構造を有する酸化物半導体を形成して、ソース電極924とドレイン電極925の間の抵抗を効果的に下げるためには、窒素をドーパントとして用いた場合、高濃度領域928中の窒素原子の濃度を、1×1020/cm3以上7atoms%以下とすることが望ましい。しかし、窒素原子が上記範囲よりも低い濃度であっても、ウルツ鉱型の結晶構造を有する酸化物半導体が得られる場合もある。 In the case where an In—Ga—Zn-based oxide is used for the oxide semiconductor layer 923, the oxide in the high concentration region 928 is subjected to heat treatment at about 300 ° C. to 600 ° C. after adding nitrogen. The semiconductor has a wurtzite crystal structure. Furthermore, the low concentration region 929 may also have a wurtzite crystal structure by the above heat treatment depending on the concentration of nitrogen. When the oxide semiconductor in the high concentration region 928 has a wurtzite crystal structure, the conductivity of the high concentration region 928 can be further increased and the resistance between the source electrode 924 and the drain electrode 925 can be decreased. Note that in order to form an oxide semiconductor having a wurtzite crystal structure and effectively reduce the resistance between the source electrode 924 and the drain electrode 925, when nitrogen is used as a dopant, the high concentration region 928 is used. It is desirable that the concentration of nitrogen atoms in the inside be 1 × 10 20 / cm 3 or more and 7 atoms% or less. However, an oxide semiconductor having a wurtzite crystal structure may be obtained even when the concentration of nitrogen atoms is lower than the above range.
また、酸化物半導体層923は、CAAC−OSで構成されていても良い。酸化物半導体層923がCAAC−OSで構成されている場合、非晶質の場合に比べて酸化物半導体層923の導電率を高めることができるので、ソース電極924とドレイン電極925の間の抵抗を下げることができる。 The oxide semiconductor layer 923 may be formed using a CAAC-OS. In the case where the oxide semiconductor layer 923 is formed using a CAAC-OS, the conductivity of the oxide semiconductor layer 923 can be higher than that in the case where the oxide semiconductor layer 923 is amorphous; thus, the resistance between the source electrode 924 and the drain electrode 925 can be increased. Can be lowered.
そして、ソース電極924とドレイン電極925の間の抵抗を下げることで、トランジスタ921の微細化を進めても、高いオン電流と、高速動作を確保することができる。また、トランジスタ921の微細化により、当該トランジスタを用いた半導体装置の占める面積を縮小化し、単位面積あたりのトランジスタ数を高めることができる。 Further, by reducing the resistance between the source electrode 924 and the drain electrode 925, high on-state current and high-speed operation can be ensured even when the transistor 921 is miniaturized. Further, by miniaturization of the transistor 921, an area occupied by a semiconductor device including the transistor can be reduced and the number of transistors per unit area can be increased.
図16(D)に示すトランジスタ941は、下地膜942上に形成されたソース電極944及びドレイン電極945と、ソース電極944及びドレイン電極945上に形成された活性層として機能する酸化物半導体層943と、酸化物半導体層943、ソース電極944及びドレイン電極945上のゲート絶縁膜946と、ゲート絶縁膜946上において酸化物半導体層943と重なる位置に設けられたゲート電極947と、ゲート電極947上において酸化物半導体層943を覆う保護絶縁膜952とを有する。さらに、トランジスタ941は、ゲート電極947の側部に設けられた、絶縁物で形成されたサイドウォール950を有する。 A transistor 941 illustrated in FIG. 16D includes a source electrode 944 and a drain electrode 945 formed over a base film 942, and an oxide semiconductor layer 943 functioning as an active layer formed over the source electrode 944 and the drain electrode 945. A gate insulating film 946 over the oxide semiconductor layer 943, the source electrode 944, and the drain electrode 945, a gate electrode 947 provided on the gate insulating film 946 so as to overlap with the oxide semiconductor layer 943, and the gate electrode 947 The protective insulating film 952 which covers the oxide semiconductor layer 943 is provided. Further, the transistor 941 includes a sidewall 950 that is provided on a side portion of the gate electrode 947 and is formed using an insulator.
図16(D)に示すトランジスタ941は、ゲート電極947が酸化物半導体層943の上に形成されているトップゲート型であり、なおかつ、ソース電極944及びドレイン電極945が酸化物半導体層943の下に形成されているボトムコンタクト型である。そして、トランジスタ941は、トランジスタ901と同様に、ソース電極944及びドレイン電極945と、ゲート電極947とが重なっていないので、ソース電極944及びドレイン電極945とゲート電極947との間に形成される寄生容量を小さく抑えることができ、高速動作を実現することができる。 A transistor 941 illustrated in FIG. 16D is a top-gate transistor in which a gate electrode 947 is formed over the oxide semiconductor layer 943, and a source electrode 944 and a drain electrode 945 are formed under the oxide semiconductor layer 943. The bottom contact type formed in Since the source electrode 944 and the drain electrode 945 do not overlap with the gate electrode 947, the transistor 941 is a parasitic element formed between the source electrode 944 and the drain electrode 945 and the gate electrode 947, as in the transistor 901. The capacity can be kept small, and high-speed operation can be realized.
また、酸化物半導体層943は、ゲート電極947が形成された後に酸化物半導体層943にn型の導電性を付与するドーパントを添加することで得られる、一対の高濃度領域948と、一対の低濃度領域949とを有する。また、酸化物半導体層943のうち、ゲート絶縁膜946を間に挟んでゲート電極947と重なる領域がチャネル形成領域951である。酸化物半導体層943では、一対の高濃度領域948の間に一対の低濃度領域949が設けられ、一対の低濃度領域949の間にチャネル形成領域951が設けられている。そして、一対の低濃度領域949は、酸化物半導体層943中の、ゲート絶縁膜946を間に挟んでサイドウォール950と重なる領域に設けられている。 The oxide semiconductor layer 943 includes a pair of high-concentration regions 948 and a pair of high-concentration regions 948 obtained by adding a dopant that imparts n-type conductivity to the oxide semiconductor layer 943 after the gate electrode 947 is formed. And a low concentration region 949. Further, in the oxide semiconductor layer 943, a region overlapping with the gate electrode 947 with the gate insulating film 946 interposed therebetween is a channel formation region 951. In the oxide semiconductor layer 943, a pair of low concentration regions 949 is provided between the pair of high concentration regions 948, and a channel formation region 951 is provided between the pair of low concentration regions 949. The pair of low-concentration regions 949 are provided in regions of the oxide semiconductor layer 943 that overlap with the sidewalls 950 with the gate insulating film 946 interposed therebetween.
高濃度領域948及び低濃度領域949は、上述した、トランジスタ901が有する高濃度領域908の場合と同様に、イオン注入法を用いて形成することができる。そして、高濃度領域948を形成するためのドーパントの種類については、高濃度領域908の場合を参照することができる。 The high concentration region 948 and the low concentration region 949 can be formed by an ion implantation method as in the case of the high concentration region 908 included in the transistor 901 described above. For the type of dopant for forming the high concentration region 948, the case of the high concentration region 908 can be referred to.
例えば、窒素をドーパントとして用いた場合、高濃度領域948中の窒素原子の濃度は、5×1019/cm3以上1×1022/cm3以下であることが望ましい。また、例えば、窒素をドーパントとして用いた場合、低濃度領域949中の窒素原子の濃度は、5×1018/cm3以上5×1019/cm3未満であることが望ましい。 For example, when nitrogen is used as a dopant, the concentration of nitrogen atoms in the high concentration region 948 is preferably 5 × 10 19 / cm 3 or more and 1 × 10 22 / cm 3 or less. For example, when nitrogen is used as a dopant, the concentration of nitrogen atoms in the low concentration region 949 is desirably 5 × 10 18 / cm 3 or more and less than 5 × 10 19 / cm 3 .
n型の導電性を付与するドーパントが添加されている高濃度領域948は、酸化物半導体層943中の他の領域に比べて導電性が高くなる。よって、高濃度領域948を酸化物半導体層943に設けることで、ソース電極944とドレイン電極945の間の抵抗を下げることができる。また、低濃度領域949をチャネル形成領域951と高濃度領域948の間に設けることで、短チャネル効果によるしきい値電圧のマイナスシフトを軽減することができる。 The high-concentration region 948 to which the dopant imparting n-type conductivity is added has higher conductivity than the other regions in the oxide semiconductor layer 943. Therefore, by providing the high-concentration region 948 in the oxide semiconductor layer 943, the resistance between the source electrode 944 and the drain electrode 945 can be reduced. Further, by providing the low concentration region 949 between the channel formation region 951 and the high concentration region 948, a minus shift of the threshold voltage due to the short channel effect can be reduced.
また、In−Ga−Zn系酸化物を酸化物半導体層943に用いた場合、窒素を添加した後、300℃以上600℃以下程度で加熱処理を施すことにより、高濃度領域948中の酸化物半導体はウルツ鉱型の結晶構造を有するようになる。またさらに、低濃度領域949も、窒素の濃度によっては、上記加熱処理によりウルツ鉱型の結晶構造を有する場合もある。高濃度領域948中の酸化物半導体がウルツ鉱型の結晶構造を有することで、さらに高濃度領域948の導電性を高め、ソース電極944とドレイン電極945の間の抵抗を下げることができる。なお、ウルツ鉱型の結晶構造を有する酸化物半導体を形成して、ソース電極944とドレイン電極945の間の抵抗を効果的に下げるためには、窒素をドーパントとして用いた場合、高濃度領域948中の窒素原子の濃度を、1×1020/cm3以上7atoms%以下とすることが望ましい。しかし、窒素原子が上記範囲よりも低い濃度であっても、ウルツ鉱型の結晶構造を有する酸化物半導体が得られる場合もある。 In the case where an In—Ga—Zn-based oxide is used for the oxide semiconductor layer 943, the oxide in the high-concentration region 948 is subjected to heat treatment at about 300 ° C. to 600 ° C. after adding nitrogen. The semiconductor has a wurtzite crystal structure. Furthermore, the low concentration region 949 may have a wurtzite crystal structure by the above heat treatment depending on the concentration of nitrogen. When the oxide semiconductor in the high concentration region 948 has a wurtzite crystal structure, the conductivity of the high concentration region 948 can be further increased and the resistance between the source electrode 944 and the drain electrode 945 can be reduced. Note that in order to form an oxide semiconductor having a wurtzite crystal structure and effectively reduce the resistance between the source electrode 944 and the drain electrode 945, when nitrogen is used as a dopant, the high concentration region 948 is used. It is desirable that the concentration of nitrogen atoms in the inside be 1 × 10 20 / cm 3 or more and 7 atoms% or less. However, an oxide semiconductor having a wurtzite crystal structure may be obtained even when the concentration of nitrogen atoms is lower than the above range.
また、酸化物半導体層943は、CAAC−OSで構成されていても良い。酸化物半導体層943がCAAC−OSで構成されている場合、非晶質の場合に比べて酸化物半導体層943の導電率を高めることができるので、ソース電極944とドレイン電極945の間の抵抗を下げることができる。 The oxide semiconductor layer 943 may be formed using a CAAC-OS. In the case where the oxide semiconductor layer 943 is formed using a CAAC-OS, the conductivity of the oxide semiconductor layer 943 can be higher than that in the case where the oxide semiconductor layer 943 is amorphous; thus, the resistance between the source electrode 944 and the drain electrode 945 can be increased. Can be lowered.
そして、ソース電極944とドレイン電極945の間の抵抗を下げることで、トランジスタ941の微細化を進めても、高いオン電流と、高速動作を確保することができる。また、トランジスタ941の微細化により、当該トランジスタを用いた半導体装置の占める面積を縮小化し、単位面積あたりのトランジスタ数を高めることができる。 By reducing the resistance between the source electrode 944 and the drain electrode 945, high on-state current and high-speed operation can be ensured even when the transistor 941 is miniaturized. Further, by miniaturization of the transistor 941, an area occupied by a semiconductor device using the transistor can be reduced and the number of transistors per unit area can be increased.
図16(E)に示すトランジスタ961は、下地膜962上に形成された、活性層として機能する酸化物半導体層963と、酸化物半導体層963上に形成されたソース電極964及びドレイン電極965と、ゲート絶縁膜966上において酸化物半導体層963と重なる位置に設けられたゲート電極967と、ゲート電極967の側部に設けられた、絶縁物で形成されたサイドウォール970と、ゲート電極967上において酸化物半導体層963を覆う保護絶縁膜972と、保護絶縁膜972上に絶縁膜973と、を有する。さらに、トランジスタ961は、保護絶縁膜972、及び絶縁膜973に設けたコンタクトホールを介してソース電極964に電気的に接続する電極974と、ドレイン電極965に電気的に接続する電極975を有する。 A transistor 961 illustrated in FIG. 16E includes an oxide semiconductor layer 963 that functions as an active layer, which is formed over a base film 962, and a source electrode 964 and a drain electrode 965 that are formed over the oxide semiconductor layer 963. The gate electrode 967 provided on the gate insulating film 966 so as to overlap with the oxide semiconductor layer 963, the side wall 970 formed of an insulator provided on the side of the gate electrode 967, and the gate electrode 967 A protective insulating film 972 covering the oxide semiconductor layer 963 and an insulating film 973 over the protective insulating film 972 are provided. Further, the transistor 961 includes a protective insulating film 972, an electrode 974 that is electrically connected to the source electrode 964 through a contact hole provided in the insulating film 973, and an electrode 975 that is electrically connected to the drain electrode 965.
絶縁膜973は、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル等の無機絶縁材料を含む材料を用いて形成することができる。また、ポリイミド、アクリル等の有機絶縁材料を用いて形成することも可能である。 The insulating film 973 can be formed using a material including an inorganic insulating material such as silicon oxide, silicon nitride oxide, silicon nitride, hafnium oxide, aluminum oxide, or tantalum oxide. Alternatively, it can be formed using an organic insulating material such as polyimide or acrylic.
また、絶縁膜973の形成後、CMP処理やエッチング処理などにより、絶縁膜973の表面の段差を軽減するための平坦化処理を行うことが望ましい。絶縁膜973の表面の段差を軽減することで、後の工程において形成される電極や配線などの被覆性を向上させることができ、半導体装置の高集積化が容易となる。さらに、段差乗り越え部分における配線抵抗の増加や、被覆性不良による配線の断線が生じにくくなるため、半導体装置の信頼性を向上させることができる。 In addition, after the insulating film 973 is formed, it is preferable to perform planarization treatment for reducing a step on the surface of the insulating film 973 by CMP treatment, etching treatment, or the like. By reducing the level difference on the surface of the insulating film 973, coverage with electrodes and wirings formed in a later step can be improved, and high integration of the semiconductor device is facilitated. Furthermore, since it is difficult for the wiring resistance to increase at the step over the step and the disconnection of the wiring due to poor coverage, the reliability of the semiconductor device can be improved.
トランジスタ961は、ゲート電極967が酸化物半導体層963の上に形成されているトップゲート型であり、なおかつ、ソース電極964及びドレイン電極965が酸化物半導体層963の上に形成されているトップコンタクト型である。そして、トランジスタ961は、トランジスタ901と同様に、ソース電極964及びドレイン電極965と、ゲート電極967とが重なっていないので、ソース電極964及びドレイン電極965と、ゲート電極967との間に形成される寄生容量を小さく抑えることができ、高速動作を実現することができる。 The transistor 961 is a top gate type in which a gate electrode 967 is formed over the oxide semiconductor layer 963, and a top contact in which a source electrode 964 and a drain electrode 965 are formed over the oxide semiconductor layer 963. It is a type. The transistor 961 is formed between the source electrode 964 and the drain electrode 965 and the gate electrode 967 because the source electrode 964 and the drain electrode 965 do not overlap with the gate electrode 967, as in the transistor 901. Parasitic capacitance can be reduced and high-speed operation can be realized.
また、酸化物半導体層963は、ゲート電極967が形成された後に酸化物半導体層963にn型の導電性を付与するドーパントを添加することで得られる、一対の高濃度領域968と、一対の低濃度領域969とを有する。また、酸化物半導体層963のうち、ゲート絶縁膜966を間に挟んでゲート電極967と重なる領域がチャネル形成領域971である。酸化物半導体層963では、一対の高濃度領域968の間に一対の低濃度領域969が設けられ、一対の低濃度領域969の間にチャネル形成領域971が設けられている。そして、一対の低濃度領域969は、酸化物半導体層963中の、ゲート絶縁膜966を間に挟んでサイドウォール970と重なる領域に設けられている。 The oxide semiconductor layer 963 includes a pair of high-concentration regions 968 obtained by adding a dopant imparting n-type conductivity to the oxide semiconductor layer 963 after the gate electrode 967 is formed, and a pair of And a low concentration region 969. In the oxide semiconductor layer 963, a region overlapping with the gate electrode 967 with the gate insulating film 966 interposed therebetween is a channel formation region 971. In the oxide semiconductor layer 963, a pair of low concentration regions 969 is provided between the pair of high concentration regions 968, and a channel formation region 971 is provided between the pair of low concentration regions 969. The pair of low-concentration regions 969 are provided in regions of the oxide semiconductor layer 963 that overlap with the sidewalls 970 with the gate insulating film 966 interposed therebetween.
高濃度領域968及び低濃度領域969は、上述した、トランジスタ901が有する高濃度領域908の場合と同様に、イオン注入法を用いて形成することができる。そして、高濃度領域968を形成するためのドーパントの種類については、高濃度領域908の場合を参照することができる。 The high concentration region 968 and the low concentration region 969 can be formed by an ion implantation method as in the case of the high concentration region 908 included in the transistor 901 described above. For the type of dopant for forming the high concentration region 968, the case of the high concentration region 908 can be referred to.
例えば、窒素をドーパントとして用いた場合、高濃度領域968中の窒素原子の濃度は、5×1019/cm3以上1×1022/cm3以下であることが望ましい。また、例えば、窒素をドーパントとして用いた場合、低濃度領域969中の窒素原子の濃度は、5×1018/cm3以上5×1019/cm3未満であることが望ましい。 For example, when nitrogen is used as a dopant, the concentration of nitrogen atoms in the high concentration region 968 is preferably 5 × 10 19 / cm 3 or more and 1 × 10 22 / cm 3 or less. For example, when nitrogen is used as a dopant, the concentration of nitrogen atoms in the low-concentration region 969 is preferably 5 × 10 18 / cm 3 or more and less than 5 × 10 19 / cm 3 .
n型の導電性を付与するドーパントが添加されている高濃度領域968は、酸化物半導体層963中の他の領域に比べて導電性が高くなる。よって、高濃度領域968を酸化物半導体層963に設けることで、ソース電極964とドレイン電極965の間の抵抗を下げることができる。また、低濃度領域969をチャネル形成領域971と高濃度領域968の間に設けることで、短チャネル効果によるしきい値電圧のマイナスシフトを軽減することができる。 The high-concentration region 968 to which the dopant imparting n-type conductivity is added has higher conductivity than other regions in the oxide semiconductor layer 963. Therefore, by providing the high-concentration region 968 in the oxide semiconductor layer 963, the resistance between the source electrode 964 and the drain electrode 965 can be reduced. Further, by providing the low concentration region 969 between the channel formation region 971 and the high concentration region 968, a minus shift of the threshold voltage due to the short channel effect can be reduced.
また、In−Ga−Zn系酸化物を酸化物半導体層963に用いた場合、窒素を添加した後、300℃以上600℃以下程度で加熱処理を施すことにより、高濃度領域968中の酸化物半導体はウルツ鉱型の結晶構造を有するようになる。またさらに、低濃度領域969も、窒素の濃度によっては、上記加熱処理によりウルツ鉱型の結晶構造を有する場合もある。高濃度領域968中の酸化物半導体がウルツ鉱型の結晶構造を有することで、さらに高濃度領域968の導電性を高め、ソース電極964とドレイン電極965の間の抵抗を下げることができる。なお、ウルツ鉱型の結晶構造を有する酸化物半導体を形成して、ソース電極964とドレイン電極965の間の抵抗を効果的に下げるためには、窒素をドーパントとして用いた場合、高濃度領域968中の窒素原子の濃度を、1×1020/cm3以上7atoms%以下とすることが望ましい。しかし、窒素原子が上記範囲よりも低い濃度であっても、ウルツ鉱型の結晶構造を有する酸化物半導体が得られる場合もある。 In the case where an In—Ga—Zn-based oxide is used for the oxide semiconductor layer 963, after adding nitrogen, heat treatment is performed at about 300 ° C. to 600 ° C., whereby the oxide in the high-concentration region 968 is obtained. The semiconductor has a wurtzite crystal structure. Further, the low concentration region 969 may have a wurtzite crystal structure by the above heat treatment depending on the concentration of nitrogen. When the oxide semiconductor in the high concentration region 968 has a wurtzite crystal structure, the conductivity of the high concentration region 968 can be further increased and the resistance between the source electrode 964 and the drain electrode 965 can be reduced. Note that in order to form an oxide semiconductor having a wurtzite crystal structure and effectively reduce the resistance between the source electrode 964 and the drain electrode 965, when nitrogen is used as a dopant, the high-concentration region 968 is used. It is desirable that the concentration of nitrogen atoms in the inside be 1 × 10 20 / cm 3 or more and 7 atoms% or less. However, an oxide semiconductor having a wurtzite crystal structure may be obtained even when the concentration of nitrogen atoms is lower than the above range.
また、酸化物半導体層963は、CAAC−OSで構成されていても良い。酸化物半導体層963がCAAC−OSで構成されている場合、非晶質の場合に比べて酸化物半導体層963の導電率を高めることができるので、ソース電極964とドレイン電極965の間の抵抗を下げることができる。 The oxide semiconductor layer 963 may be formed using a CAAC-OS. In the case where the oxide semiconductor layer 963 is formed using a CAAC-OS, the conductivity of the oxide semiconductor layer 963 can be higher than that in the case where the oxide semiconductor layer 963 is amorphous. Therefore, the resistance between the source electrode 964 and the drain electrode 965 is increased. Can be lowered.
そして、ソース電極964とドレイン電極965の間の抵抗を下げることで、トランジスタ961の微細化を進めても、高いオン電流と、高速動作を確保することができる。また、トランジスタ961の微細化により、当該トランジスタを用いた半導体装置の占める面積を縮小化し、単位面積あたりのトランジスタ数を高めることができる。 Then, by reducing the resistance between the source electrode 964 and the drain electrode 965, high on-state current and high-speed operation can be ensured even when the transistor 961 is miniaturized. Further, by miniaturization of the transistor 961, the area occupied by a semiconductor device using the transistor can be reduced and the number of transistors per unit area can be increased.
なお、酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、ソース領域またはドレイン領域として機能する高濃度領域をセルフアラインプロセスにて作製する方法の一つとして、酸化物半導体層の表面を露出させて、アルゴンプラズマ処理をおこない、酸化物半導体層のプラズマにさらされた領域の抵抗率を低下させる方法が開示されている(S. Jeon et al. ”180nm Gate Length Amorphous InGaZnO Thin Film Transistor for High Density Image Sensor Applications”, IEDM Tech. Dig., pp.504−507, 2010.)。 Note that in a transistor including an oxide semiconductor, as one method for manufacturing a high-concentration region functioning as a source region or a drain region by a self-alignment process, the surface of the oxide semiconductor layer is exposed and argon plasma treatment is performed. And the method of reducing the resistivity of the oxide semiconductor layer exposed to plasma has been disclosed (S. Jeon et al. “180 nm Gate Length Amorphous InGaZnO Thin Film Transistor for High Density Image Sensitive Image Amplification”). IEDM Tech.Dig., Pp.504-507, 2010.).
しかしながら、上記作製方法では、ゲート絶縁膜を形成した後に、ソース領域またはドレイン領域となるべき部分を露出するべく、ゲート絶縁膜を部分的に除去する必要がある。よって、ゲート絶縁膜が除去される際に、下層の酸化物半導体層も部分的にオーバーエッチングされ、ソース領域またはドレイン領域となるべき部分の膜厚が小さくなってしまう。その結果、ソース領域またはドレイン領域の抵抗が増加し、また、オーバーエッチングによるトランジスタの特性不良が起こりやすくなる。 However, in the above manufacturing method, after forming the gate insulating film, it is necessary to partially remove the gate insulating film so as to expose a portion to be a source region or a drain region. Therefore, when the gate insulating film is removed, the lower oxide semiconductor layer is also partially over-etched, and the thickness of a portion to be a source region or a drain region is reduced. As a result, the resistance of the source region or the drain region is increased, and the transistor characteristics are likely to be deteriorated due to over-etching.
トランジスタの微細化を進めるには、加工精度の高いドライエッチング法を採用する必要がある。しかし、上記オーバーエッチングは、酸化物半導体層とゲート絶縁膜の選択比が十分に確保できないドライエッチング法を採用する場合に、顕著に起こりやすい。 In order to advance the miniaturization of transistors, it is necessary to employ a dry etching method with high processing accuracy. However, the overetching is remarkably likely to occur when a dry etching method is employed in which a sufficient selection ratio between the oxide semiconductor layer and the gate insulating film cannot be ensured.
例えば、酸化物半導体層が十分な厚さであればオーバーエッチングも問題にはならないが、チャネル長を200nm以下とする場合には、短チャネル効果を防止する上で、チャネル形成領域となる部分の酸化物半導体層の厚さは20nm以下、好ましくは10nm以下であることが求められる。そのような薄い酸化物半導体層を扱う場合には、酸化物半導体層のオーバーエッチングは、上述したような、ソース領域またはドレイン領域の抵抗が増加、トランジスタの特性不良を生じさせるため、好ましくない。 For example, overetching is not a problem when the oxide semiconductor layer has a sufficient thickness. However, when the channel length is set to 200 nm or less, in order to prevent the short channel effect, The thickness of the oxide semiconductor layer is required to be 20 nm or less, preferably 10 nm or less. In the case of handling such a thin oxide semiconductor layer, overetching of the oxide semiconductor layer is not preferable because the resistance of the source region or the drain region as described above is increased and the characteristics of the transistor are deteriorated.
しかし、本発明の一態様のように、酸化物半導体層へのドーパントの添加を、酸化物半導体層を露出させず、ゲート絶縁膜を残したまま行うことで、酸化物半導体層のオーバーエッチングを防ぎ、酸化物半導体層への過剰なダメージを軽減することができる。また、加えて、酸化物半導体層とゲート絶縁膜の界面も清浄に保たれる。従って、トランジスタの特性及び信頼性を高めることができる。 However, as in one embodiment of the present invention, overetching of the oxide semiconductor layer is performed by adding the dopant to the oxide semiconductor layer without exposing the oxide semiconductor layer and leaving the gate insulating film. And excessive damage to the oxide semiconductor layer can be reduced. In addition, the interface between the oxide semiconductor layer and the gate insulating film is kept clean. Accordingly, the characteristics and reliability of the transistor can be improved.
また、酸化物半導体層より下層に位置する下地膜や、保護絶縁膜は、アルカリ金属や、水素及び酸素に対するバリア性の高い材料を用いるのが望ましい。例えば、バリア性の高い絶縁膜として、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は窒化酸化アルミニウム膜などを用いることができる。下地膜及び保護絶縁膜をバリア性の高い絶縁膜の単層または積層、もしくは、バリア性の高い絶縁膜と、バリア性の低い絶縁膜の積層としてもよい。 For the base film and the protective insulating film located below the oxide semiconductor layer, it is preferable to use a material having a high barrier property against alkali metal, hydrogen, and oxygen. For example, as the insulating film with high barrier properties, a silicon nitride film, a silicon nitride oxide film, an aluminum nitride film, an aluminum oxide film, an aluminum oxynitride film, an aluminum nitride oxide film, or the like can be used. The base film and the protective insulating film may be a single layer or a stack of insulating films with high barrier properties, or a stack of an insulating film with high barrier properties and an insulating film with low barrier properties.
酸化物半導体層をバリア性の高い絶縁膜で覆うことにより、外部からの不純物の侵入を防ぐとともに、酸化物半導体層中からの酸素脱離を防ぐことができる。よって、トランジスタの信頼性を向上させることができる。 By covering the oxide semiconductor layer with an insulating film having a high barrier property, intrusion of impurities from the outside can be prevented and oxygen desorption from the oxide semiconductor layer can be prevented. Thus, the reliability of the transistor can be improved.
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in combination with any of the above embodiments as appropriate.
(実施の形態7)
本発明の一態様に係る分周回路を用いることで、信頼性が高い電子機器、消費電力が低減された電子機器を提供することが可能である。特に電力の供給を常時受けることが困難な携帯用の電子機器の場合、本発明の一態様に係る消費電力の低い分周回路をその構成要素に追加することにより、連続使用時間が長くなるといったメリットが得られる。
(Embodiment 7)
With the use of the divider circuit according to one embodiment of the present invention, an electronic device with high reliability and an electronic device with reduced power consumption can be provided. In particular, in the case of a portable electronic device that is difficult to receive power supply at all times, the use of a frequency dividing circuit with low power consumption according to one embodiment of the present invention as a component increases the continuous use time. Benefits are gained.
本発明の一態様に係る分周回路は、表示装置、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digital Versatile Disc等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る分周回路を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンター、プリンター複合機、現金自動預け入れ払い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図17に示す。 A divider circuit according to one embodiment of the present invention can reproduce a display device, a personal computer, an image reproduction device including a recording medium (typically, a recording medium such as a DVD: Digital Versatile Disc, and display the image) It can be used for a device having a display. In addition, as an electronic device that can use the divider circuit according to one embodiment of the present invention, a mobile phone, a game machine including a portable type, a portable information terminal, an electronic book, a video camera, a digital still camera, a goggle type display ( Head mounted display), navigation system, sound reproduction device (car audio, digital audio player, etc.), copying machine, facsimile, printer, printer multifunction device, automatic teller machine (ATM), vending machine, and the like. Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.
図17(A)は電子書籍であり、筐体7001、表示部7002等を有する。本発明の一態様に係る分周回路は、電子書籍の駆動を制御するための集積回路に用いることができる。電子書籍の駆動を制御するための集積回路に本発明の一態様に係る分周回路を用いることで、消費電力が低減された電子書籍を提供することができる。また、可撓性を有する基板を用いることで、集積回路に可撓性を持たせることができるので、フレキシブルかつ軽くて使い勝手の良い電子書籍を提供することができる。 FIG. 17A illustrates an e-book reader which includes a housing 7001, a display portion 7002, and the like. The divider circuit according to one embodiment of the present invention can be used for an integrated circuit for controlling driving of the electronic book. By using the divider circuit according to one embodiment of the present invention for the integrated circuit for controlling driving of the electronic book, an electronic book with reduced power consumption can be provided. In addition, since an integrated circuit can have flexibility by using a flexible substrate, an electronic book that is flexible, light, and easy to use can be provided.
図17(B)は表示装置であり、筐体7011、表示部7012、支持台7013等を有する。本発明の一態様に係る分周回路は、表示装置の駆動を制御するための集積回路に用いることができる。表示装置の駆動を制御するための集積回路に本発明の一態様に係る分周回路を用いることで、消費電力が低減された表示装置を提供することができる。なお、表示装置には、パーソナルコンピュータ用、TV放送受信用、広告表示用などの全ての情報表示用表示装置が含まれる。 FIG. 17B illustrates a display device, which includes a housing 7011, a display portion 7012, a support base 7013, and the like. The divider circuit according to one embodiment of the present invention can be used for an integrated circuit for controlling driving of the display device. By using the divider circuit according to one embodiment of the present invention for the integrated circuit for controlling driving of the display device, a display device with reduced power consumption can be provided. The display device includes all information display devices for personal computers, TV broadcast reception, advertisement display, and the like.
図17(C)は表示装置であり、筐体7021、表示部7022等を有する。本発明の一態様に係る分周回路は、表示装置の駆動を制御するための集積回路に用いることができる。表示装置の駆動を制御するための集積回路に本発明の一態様に係る分周回路を用いることで、消費電力が低減された表示装置を提供することができる。また、可撓性を有する基板を用いることで、集積回路に可撓性を持たせることができるので、フレキシブルかつ軽くて使い勝手の良い表示装置を提供することができる。よって、図17(C)に示すように、布地などに固定させて表示装置を使用することができ、表示装置の応用の幅が格段に広がる。 FIG. 17C illustrates a display device, which includes a housing 7021, a display portion 7022, and the like. The divider circuit according to one embodiment of the present invention can be used for an integrated circuit for controlling driving of the display device. By using the divider circuit according to one embodiment of the present invention for the integrated circuit for controlling driving of the display device, a display device with reduced power consumption can be provided. In addition, since the integrated circuit can be flexible by using a flexible substrate, a flexible, light, and easy-to-use display device can be provided. Accordingly, as illustrated in FIG. 17C, the display device can be used by being fixed to a cloth or the like, and the range of application of the display device is significantly widened.
図17(D)は携帯型ゲーム機であり、筐体7031、筐体7032、表示部7033、表示部7034、マイクロホン7035、スピーカー7036、操作キー7037、スタイラス7038等を有する。本発明の一態様に係る分周回路は、携帯型ゲーム機の駆動を制御するための集積回路に用いることができる。携帯型ゲーム機の駆動を制御するための集積回路に本発明の一態様に係る分周回路を用いることで、消費電力が低減された携帯型ゲーム機を提供することができる。なお、図17(D)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部7033と表示部7034とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。 FIG. 17D illustrates a portable game machine including a housing 7031, a housing 7032, a display portion 7033, a display portion 7034, a microphone 7035, speakers 7036, operation keys 7037, a stylus 7038, and the like. The divider circuit according to one embodiment of the present invention can be used for an integrated circuit for controlling driving of the portable game machine. By using the divider circuit according to one embodiment of the present invention for the integrated circuit for controlling driving of the portable game machine, a portable game machine with reduced power consumption can be provided. Note that although the portable game machine illustrated in FIG. 17D includes two display portions 7033 and 7034, the number of display portions included in the portable game device is not limited thereto.
図17(E)は携帯電話であり、筐体7041、表示部7042、音声入力部7043、音声出力部7044、操作キー7045、受光部7046等を有する。受光部7046において受信した光を電気信号に変換することで、外部の画像を取り込むことができる。本発明の一態様に係る分周回路は、携帯電話の駆動を制御するための集積回路に用いることができる。携帯電話の駆動を制御するための集積回路に本発明の一態様に係る分周回路を用いることで、消費電力が低減された携帯電話を提供することができる。 FIG. 17E illustrates a mobile phone, which includes a housing 7041, a display portion 7042, an audio input portion 7043, an audio output portion 7044, operation keys 7045, a light receiving portion 7046, and the like. An external image can be captured by converting the light received by the light receiving unit 7046 into an electrical signal. The divider circuit according to one embodiment of the present invention can be used for an integrated circuit for controlling driving of the mobile phone. By using the divider circuit according to one embodiment of the present invention for the integrated circuit for controlling driving of the mobile phone, a mobile phone with reduced power consumption can be provided.
図17(F)は携帯情報端末であり、筐体7051、表示部7052、操作キー7053等を有する。図17(F)に示す携帯情報端末は、モデムが筐体7051に内蔵されていても良い。本発明の一態様に係る分周回路は、携帯情報端末の駆動を制御するための集積回路に用いることができる。携帯情報端末の駆動を制御するための集積回路に本発明の一態様に係る分周回路を用いることで、消費電力が低減された携帯情報端末を提供することができる。 FIG. 17F illustrates a portable information terminal which includes a housing 7051, a display portion 7052, operation keys 7053, and the like. In the portable information terminal illustrated in FIG. 17F, a modem may be incorporated in the housing 7051. The divider circuit according to one embodiment of the present invention can be used for an integrated circuit for controlling driving of the portable information terminal. By using the divider circuit according to one embodiment of the present invention for the integrated circuit for controlling driving of the portable information terminal, a portable information terminal with reduced power consumption can be provided.
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in combination with any of the above embodiments as appropriate.
本実施例では、チャネルが形成される半導体層に、半導体内部の欠陥が無い理想的な酸化物半導体を用いたトランジスタの電界効果移動度について説明する。 In this example, field effect mobility of a transistor using an ideal oxide semiconductor in which a semiconductor layer in which a channel is formed is free from defects inside the semiconductor will be described.
酸化物半導体に限らず、実際に測定される絶縁ゲート型トランジスタの電界効果移動度は、さまざまな理由によって本来の移動度よりも低くなる。移動度を低下させる要因としては半導体内部の欠陥や半導体と絶縁膜との界面の欠陥があるが、Levinsonモデルを用いると、半導体内部に欠陥がないと仮定した場合の電界効果移動度を理論的に導き出せる。 The field-effect mobility of an insulated gate transistor that is actually measured, not limited to an oxide semiconductor, is lower than the original mobility for various reasons. Factors that decrease the mobility include defects inside the semiconductor and defects at the interface between the semiconductor and the insulating film. However, using the Levinson model, the field-effect mobility is theoretically assumed when there is no defect inside the semiconductor. Can be derived.
半導体本来の移動度(Hall移動度)をμ0、測定される電界効果移動度をμとし、半導体中に何らかのポテンシャル障壁(粒界等)が存在すると仮定すると、以下の式で表現できる。 Assuming that the intrinsic mobility (Hall mobility) of the semiconductor is μ 0 , the measured field effect mobility is μ, and that some potential barrier (grain boundary or the like) exists in the semiconductor, it can be expressed by the following equation.
ここで、Eはポテンシャル障壁の高さであり、kがボルツマン定数、Tは絶対温度である。また、ポテンシャル障壁が欠陥に由来すると仮定すると、Levinsonモデルでは、以下の式で表される。 Here, E is the height of the potential barrier, k is the Boltzmann constant, and T is the absolute temperature. Assuming that the potential barrier is derived from defects, the Levinson model is represented by the following equation.
ここで、eは電気素量、Nはチャネル内の単位面積当たりの平均欠陥密度、εは半導体の誘電率、nは単位面積当たりのチャネルに含まれるキャリア数、Coxは単位面積当たりの容量、Vgはゲート電圧、tはチャネルの厚さである。なお、厚さ30nm以下の半導体層であれば、チャネルの厚さは半導体層の厚さと同一として差し支えない。
線形領域におけるドレイン電流Idは、以下の式となる。
Here, e is the elementary charge, N is the average defect density per unit area in the channel, ε is the dielectric constant of the semiconductor, n is the number of carriers contained in the channel per unit area, and C ox is the capacity per unit area , V g is the gate voltage, and t is the channel thickness. Note that in the case of a semiconductor layer having a thickness of 30 nm or less, the thickness of the channel may be the same as the thickness of the semiconductor layer.
The drain current I d in the linear region is expressed by the following equation.
ここで、Lはチャネル長、Wはチャネル幅であり、ここでは、L=W=10μmである。また、Vdはドレイン電圧である。
上式の両辺をVgで割り、更に両辺の対数を取ると、以下のようになる。
Here, L is the channel length, and W is the channel width. Here, L = W = 10 μm. V d is the drain voltage.
Dividing both sides of the above equation by V g and taking the logarithm of both sides gives the following.
数4の右辺はVgの関数である。この式からわかるように、縦軸をln(Id/Vg)、横軸を1/Vgとして実測値をプロットして得られるグラフの直線の傾きから欠陥密度Nが求められる。すなわち、トランジスタのId―Vg特性から、欠陥密度を評価できる。酸化物半導体としては、インジウム(In)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)の比率が、In:Sn:Zn=1:1:1のものでは欠陥密度Nは1×1012/cm2程度である。 Number 4 of the right-hand side is a function of V g. As seen from this equation, the vertical axis the ln (I d / V g) , the horizontal axis 1 / V g as a defect density N from the slope of the straight line of the graph obtained by plotting the measured values is obtained. That is, the defect density can be evaluated from the I d -V g characteristics of the transistor. As an oxide semiconductor, when the ratio of indium (In), tin (Sn), and zinc (Zn) is In: Sn: Zn = 1: 1: 1, the defect density N is about 1 × 10 12 / cm 2. It is.
このようにして求めた欠陥密度等をもとに数1および数2よりμ0=120cm2/Vsが導出される。欠陥のあるIn−Sn−Zn酸化物で測定される移動度は35cm2/Vs程度である。しかし、半導体内部および半導体と絶縁膜との界面の欠陥が無い酸化物半導体の移動度μ0は120cm2/Vsとなると予想できる。 Μ 0 = 120 cm 2 / Vs is derived from Equation 1 and Equation 2 based on the defect density and the like thus obtained. The mobility measured with a defective In—Sn—Zn oxide is about 35 cm 2 / Vs. However, it can be expected that the mobility μ 0 of an oxide semiconductor having no defects inside the semiconductor and at the interface between the semiconductor and the insulating film is 120 cm 2 / Vs.
ただし、半導体内部に欠陥がなくても、チャネルとゲート絶縁膜との界面での散乱によってトランジスタの輸送特性は影響を受ける。すなわち、ゲート絶縁膜界面からxだけ離れた場所における電界効果移動度μ1は、以下の式で表される。 However, even if there is no defect inside the semiconductor, the transport characteristics of the transistor are affected by scattering at the interface between the channel and the gate insulating film. That is, the field effect mobility μ 1 at a location separated by x from the gate insulating film interface is expressed by the following equation.
ここで、Dはゲート方向の電界、B、Gは定数である。BおよびGは、実際の測定結果より求めることができ、上記の測定結果からは、B=4.75×107cm/s、G=10nm(界面散乱が及ぶ深さ)である。Dが増加する(すなわち、ゲート電圧が高くなる)と数5の第2項が増加するため、電界効果移動度μ1は低下することがわかる。 Here, D is an electric field in the gate direction, and B and G are constants. B and G can be obtained from actual measurement results. From the above measurement results, B = 4.75 × 10 7 cm / s and G = 10 nm (depth at which interface scattering reaches). It can be seen that as D increases (that is, the gate voltage increases), the second term of Formula 5 increases, and thus the field-effect mobility μ 1 decreases.
半導体内部の欠陥が無い理想的な酸化物半導体をチャネルに用いたトランジスタの電界効果移動度μ2を計算した結果を図22に示す。なお、計算にはシノプシス社製デバイスシミュレーションソフト、Sentaurus Deviceを使用し、酸化物半導体のバンドギャップ、電子親和力、比誘電率、厚さをそれぞれ、2.8電子ボルト、4.7電子ボルト、15、15nmとした。これらの値は、スパッタリング法により形成された薄膜を測定して得られたものである。 FIG. 22 shows the result of calculating the field-effect mobility μ 2 of a transistor using an ideal oxide semiconductor having no defects inside the semiconductor as a channel. For the calculation, device simulation software manufactured by Synopsys, Sentaurus Device was used, and the band gap, electron affinity, relative permittivity, and thickness of the oxide semiconductor were 2.8 eV, 4.7 eV, and 15 respectively. 15 nm. These values are obtained by measuring a thin film formed by a sputtering method.
さらに、ゲート、ソース、ドレインの仕事関数をそれぞれ、5.5電子ボルト、4.6電子ボルト、4.6電子ボルトとした。また、ゲート絶縁膜の厚さは100nm、比誘電率は4.1とした。チャネル長およびチャネル幅はともに10μm、ドレイン電圧Vdは0.1Vである。 Furthermore, the work functions of the gate, source, and drain were set to 5.5 eV, 4.6 eV, and 4.6 eV, respectively. The thickness of the gate insulating film was 100 nm and the relative dielectric constant was 4.1. Channel length and the channel width were each 10 [mu] m, the drain voltage V d is 0.1 V.
図22で示されるように、ゲート電圧1V強で移動度100cm2/Vs以上のピークをつけるが、ゲート電圧がさらに高くなると、界面散乱が大きくなり、移動度が低下する。なお、界面散乱を低減するためには、半導体層表面を原子レベルで平坦にすること(Atomic Layer Flatness)が望ましい。 As shown in FIG. 22, a peak of a mobility of 100 cm 2 / Vs or higher is obtained at a gate voltage of slightly higher than 1 V. However, when the gate voltage is further increased, interface scattering increases and the mobility decreases. In order to reduce interface scattering, it is desirable to flatten the surface of the semiconductor layer at the atomic level (Atomic Layer Flatness).
このような移動度を有する酸化物半導体を用いて微細なトランジスタを作製した場合の特性を計算した結果を図23乃至図25に示す。なお、計算に用いたトランジスタの断面構造を図26に示す。図26に示すトランジスタは酸化物半導体層にn+の導電型を呈する半導体領域1103aおよび半導体領域1103cを有する。半導体領域1103aおよび半導体領域1103cの抵抗率は2×10−3Ωcmとする。 Results of calculation of characteristics in the case where a minute transistor is manufactured using an oxide semiconductor having such mobility are illustrated in FIGS. Note that FIG. 26 illustrates a cross-sectional structure of the transistor used for the calculation. The transistor illustrated in FIGS. 26A and 26B includes a semiconductor region 1103a and a semiconductor region 1103c exhibiting an n + conductivity type in an oxide semiconductor layer. The resistivity of the semiconductor region 1103a and the semiconductor region 1103c is 2 × 10 −3 Ωcm.
図26(A)に示すトランジスタは、下地絶縁層1101と、下地絶縁層1101に埋め込まれるように形成された酸化アルミニウムよりなる埋め込み絶縁物1102の上に形成される。トランジスタは半導体領域1103a、半導体領域1103cと、それらに挟まれ、チャネル形成領域となる真性の半導体領域1103bと、ゲート1105を有する。ゲート1105の幅を33nmとする。 The transistor illustrated in FIG. 26A is formed over a base insulating layer 1101 and a buried insulator 1102 formed of aluminum oxide so as to be embedded in the base insulating layer 1101. The transistor includes a semiconductor region 1103a, a semiconductor region 1103c, an intrinsic semiconductor region 1103b which is sandwiched therebetween and serves as a channel formation region, and a gate 1105. The width of the gate 1105 is 33 nm.
ゲート1105と半導体領域1103bの間には、ゲート絶縁膜1104を有し、また、ゲート1105の両側面には側壁絶縁物1106aおよび側壁絶縁物1106b、ゲート1105の上部には、ゲート1105と他の配線との短絡を防止するための絶縁物1107を有する。側壁絶縁物の幅は5nmとする。また、半導体領域1103aおよび半導体領域1103cに接して、ソース1108aおよびドレイン1108bを有する。なお、このトランジスタにおけるチャネル幅を40nmとする。 A gate insulating film 1104 is provided between the gate 1105 and the semiconductor region 1103b. Side wall insulators 1106a and 1106b are formed on both sides of the gate 1105, and the gate 1105 and other regions are formed on the gate 1105. An insulator 1107 is provided for preventing a short circuit with the wiring. The width of the sidewall insulator is 5 nm. In addition, the semiconductor region 1103a and the semiconductor region 1103c are in contact with the source 1108a and the drain 1108b. Note that the channel width of this transistor is 40 nm.
図26(B)に示すトランジスタは、下地絶縁層1101と、酸化アルミニウムよりなる埋め込み絶縁物1102の上に形成され、半導体領域1103a、半導体領域1103cと、それらに挟まれた真性の半導体領域1103bと、幅33nmのゲート1105とゲート絶縁膜1104と側壁絶縁物1106aおよび側壁絶縁物1106bと絶縁物1107とソース1108aおよびドレイン1108bを有する点で図26(A)に示すトランジスタと同じである。 The transistor illustrated in FIG. 26B is formed over a base insulating layer 1101, a buried insulator 1102 made of aluminum oxide, a semiconductor region 1103a, a semiconductor region 1103c, and an intrinsic semiconductor region 1103b sandwiched between them. The transistor is the same as the transistor illustrated in FIG. 26A in that it includes a gate 1105 having a width of 33 nm, a gate insulating film 1104, a sidewall insulator 1106a, a sidewall insulator 1106b, an insulator 1107, a source 1108a, and a drain 1108b.
図26(A)に示すトランジスタと図26(B)に示すトランジスタの相違点は、側壁絶縁物1106aおよび側壁絶縁物1106bの下の半導体領域の導電型である。図26(A)に示すトランジスタでは、側壁絶縁物1106aおよび側壁絶縁物1106bの下の半導体領域はn+の導電型を呈する半導体領域1103aおよび半導体領域1103cであるが、図26(B)に示すトランジスタでは、真性の半導体領域1103bである。すなわち、図26Bに示す半導体層において、半導体領域1103a(半導体領域1103c)とゲート1105がLoffだけ重ならない領域ができている。この領域をオフセット領域といい、その幅Loffをオフセット長という。図から明らかなように、オフセット長は、側壁絶縁物1106a(側壁絶縁物1106b)の幅と同じである。 A difference between the transistor illustrated in FIG. 26A and the transistor illustrated in FIG. 26B is the conductivity type of the semiconductor region under the sidewall insulator 1106a and the sidewall insulator 1106b. In the transistor illustrated in FIG. 26A, the semiconductor regions under the sidewall insulator 1106a and the sidewall insulator 1106b are the semiconductor region 1103a and the semiconductor region 1103c having n + conductivity type, but are illustrated in FIG. In the transistor, the intrinsic semiconductor region 1103b. That is, in the semiconductor layer illustrated in FIG. 26B, a region where the semiconductor region 1103a (semiconductor region 1103c) and the gate 1105 do not overlap with each other by Loff is formed. This area is called an offset area, and its width Loff is called an offset length. As is apparent from the figure, the offset length is the same as the width of the sidewall insulator 1106a (sidewall insulator 1106b).
その他の計算に使用するパラメータは上述の通りである。計算にはシノプシス社製デバイスシミュレーションソフト、Sentaurus Deviceを使用した。図23は、図26(A)に示される構造のトランジスタのドレイン電流(Id、実線)および電界効果移動度(μ、点線)のゲート電圧(Vg、ゲートとソースの電位差)依存性を示す。ドレイン電流Idは、ドレイン電圧(ドレインとソースの電位差)を+1Vとし、電界効果移動度μはドレイン電圧を+0.1Vとして計算したものである。 The other parameters used for the calculation are as described above. For the calculation, Synopsys device simulation software, Sentaurus Device was used. FIG. 23 shows the dependence of the drain current (I d , solid line) and field-effect mobility (μ, dotted line) on the gate voltage (V g , potential difference between the gate and the source) of the transistor having the structure shown in FIG. Show. The drain current I d is the drain voltage (a potential difference between the drain and the source) and + 1V, the field effect mobility μ is obtained by calculating the drain voltage is + 0.1 V.
図23(A)はゲート絶縁膜の厚さを15nmとしたものであり、図23(B)は10nmとしたものであり、図23(C)は5nmとしたものである。ゲート絶縁膜が薄くなるほど、特にオフ状態でのドレイン電流Id(オフ電流)が顕著に低下する。一方、電界効果移動度μのピーク値やオン状態でのドレイン電流Id(オン電流)には目立った変化が無い。ゲート電圧1V前後で、ドレイン電流は10μAを超えることが示された。 FIG. 23A shows the gate insulating film with a thickness of 15 nm, FIG. 23B shows the thickness of 10 nm, and FIG. 23C shows the thickness of 5 nm. As the gate insulating film becomes thinner, the drain current I d (off current) particularly in the off state is significantly reduced. On the other hand, there is no conspicuous change in the peak value of the field effect mobility μ and the drain current I d (on current) in the on state. It was shown that the drain current exceeded 10 μA around the gate voltage of 1V.
図24は、図26(B)に示される構造のトランジスタで、オフセット長Loffを5nmとしたもののドレイン電流Id(実線)および電界効果移動度μ(点線)のゲート電圧Vg依存性を示す。ドレイン電流Idは、ドレイン電圧を+1Vとし、電界効果移動度μはドレイン電圧を+0.1Vとして計算したものである。図24(A)はゲート絶縁膜の厚さを15nmとしたものであり、図24(B)は10nmとしたものであり、図24(C)は5nmとしたものである。 FIG. 24 shows the dependency of the drain current I d (solid line) and the field effect mobility μ (dotted line) on the gate voltage V g when the offset length Loff is 5 nm for the transistor having the structure shown in FIG. . The drain current I d is calculated with a drain voltage of +1 V, and the field effect mobility μ is calculated with a drain voltage of +0.1 V. FIG. 24A shows the gate insulating film with a thickness of 15 nm, FIG. 24B shows the thickness of 10 nm, and FIG. 24C shows the thickness of 5 nm.
また、図25は、図26(B)に示される構造のトランジスタで、オフセット長Loffを15nmとしたもののドレイン電流Id(実線)および電界効果移動度μ(点線)のゲート電圧依存性を示す。ドレイン電流Idは、ドレイン電圧を+1Vとし、電界効果移動度μはドレイン電圧を+0.1Vとして計算したものである。図25(A)はゲート絶縁膜の厚さを15nmとしたものであり、図25(B)は10nmとしたものであり、図25(C)は5nmとしたものである。 FIG. 25 shows the gate voltage dependence of the drain current I d (solid line) and the field effect mobility μ (dotted line) when the offset length Loff is 15 nm for the transistor having the structure shown in FIG. . The drain current I d is calculated with a drain voltage of +1 V, and the field effect mobility μ is calculated with a drain voltage of +0.1 V. FIG. 25A shows the gate insulating film with a thickness of 15 nm, FIG. 25B shows the thickness of 10 nm, and FIG. 25C shows the thickness of 5 nm.
いずれもゲート絶縁膜が薄くなるほど、オフ電流が顕著に低下する一方、電界効果移動度μのピーク値やオン電流には目立った変化が無い。 In either case, the thinner the gate insulating film, the more the off-state current decreases. On the other hand, there is no noticeable change in the peak value of the field-effect mobility μ and the on-state current.
なお、電界効果移動度μのピークは、図23では80cm2/Vs程度であるが、図24では60cm2/Vs程度、図25では40cm2/Vs程度と、オフセット長Loffが増加するほど低下する。また、オフ電流も同様な傾向がある。一方、オン電流にはオフセット長Loffの増加にともなって減少するが、オフ電流の低下に比べるとはるかに緩やかである。また、いずれもゲート電圧1V前後で、ドレイン電流は10μAを超えることが示された。 The peak of the field effect mobility μ is about 80 cm 2 / Vs in FIG. 23, about 60 cm 2 / Vs in FIG. 24 and about 40 cm 2 / Vs in FIG. 25, and decreases as the offset length Loff increases. To do. Further, the off-current has a similar tendency. On the other hand, the on-current decreases as the offset length Loff increases, but is much slower than the decrease in off-current. In addition, it was shown that the drain current exceeded 10 μA when the gate voltage was around 1 V.
本実施例では、チャネルが形成される半導体層にIn、Sn、Znを主成分とする酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性について説明する。 In this embodiment, electrical characteristics of a transistor in which an oxide semiconductor containing In, Sn, and Zn as main components is used for a semiconductor layer in which a channel is formed will be described.
チャネルが形成される半導体層にIn、Sn、Znを主成分とする酸化物半導体を用いたトランジスタは、該酸化物半導体を形成する際に基板を加熱して成膜すること、或いは酸化物半導体膜を形成した後に熱処理を行うことで良好な特性を得ることができる。なお、主成分とは組成比で5atomic%以上含まれる元素をいう。 A transistor in which an oxide semiconductor containing In, Sn, and Zn as main components is used for a semiconductor layer in which a channel is formed can be formed by heating a substrate when forming the oxide semiconductor, or an oxide semiconductor Good characteristics can be obtained by performing heat treatment after the film is formed. Note that the main component refers to an element contained in a composition ratio of 5 atomic% or more.
In、Sn、Znを主成分とする酸化物半導体膜の成膜後に基板を意図的に加熱することで、トランジスタの電界効果移動度を向上させることが可能となる。また、トランジスタのしきい値電圧をプラスシフトさせ、ノーマリ・オフ化させることが可能となる。 By intentionally heating the substrate after formation of the oxide semiconductor film containing In, Sn, and Zn as main components, the field-effect mobility of the transistor can be improved. In addition, the threshold voltage of the transistor can be shifted positively to be normally off.
例えば、図27(A)〜(C)は、In、Sn、Znを主成分とし、チャネル長Lが3μm、チャネル幅Wが10μmである酸化物半導体膜と、厚さ100nmのゲート絶縁膜を用いたトランジスタの特性である。なお、Vdは10Vとした。 For example, FIGS. 27A to 27C illustrate an oxide semiconductor film having In, Sn, and Zn as main components, a channel length L of 3 μm, and a channel width W of 10 μm, and a gate insulating film having a thickness of 100 nm. It is the characteristic of the used transistor. In addition, V d was set to 10V.
図27(A)は基板を意図的に加熱せずにスパッタリング法でIn、Sn、Znを主成分とする酸化物半導体膜を形成したときのトランジスタ特性である。このとき電界効果移動度は18.8cm2/Vsecが得られている。一方、基板を意図的に加熱してIn、Sn、Znを主成分とする酸化物半導体膜を形成すると電界効果移動度を向上させることが可能となる。図27(B)は基板を200℃に加熱してIn、Sn、Znを主成分とする酸化物半導体膜を形成したときのトランジスタ特性を示すが、電界効果移動度は32.2cm2/Vsecが得られている。 FIG. 27A shows transistor characteristics when an oxide semiconductor film containing In, Sn, and Zn as main components is formed by a sputtering method without intentionally heating the substrate. At this time, the field effect mobility is 18.8 cm 2 / Vsec. On the other hand, when the substrate is intentionally heated to form an oxide semiconductor film containing In, Sn, and Zn as main components, field-effect mobility can be improved. FIG. 27B shows transistor characteristics when the substrate is heated to 200 ° C. to form an oxide semiconductor film containing In, Sn, and Zn as main components, and the field-effect mobility is 32.2 cm 2 / Vsec. Is obtained.
電界効果移動度は、In、Sn、Znを主成分とする酸化物半導体膜を形成した後に熱処理をすることによって、さらに高めることができる。図27(C)は、In、Sn、Znを主成分とする酸化物半導体膜を200℃でスパッタリング成膜した後、650℃で熱処理をしたときのトランジスタ特性を示す。このとき電界効果移動度は34.5cm2/Vsecが得られている。 The field effect mobility can be further increased by performing heat treatment after an oxide semiconductor film containing In, Sn, and Zn as main components is formed. FIG. 27C illustrates transistor characteristics when an oxide semiconductor film containing In, Sn, and Zn as main components is formed by sputtering at 200 ° C. and then heat-treated at 650 ° C. At this time, the field effect mobility is 34.5 cm 2 / Vsec.
基板を意図的に加熱することでスパッタリング成膜中の水が酸化物半導体膜中に取り込まれるのを低減する効果が期待できる。また、成膜後に熱処理をすることによっても、酸化物半導体膜から水素や水酸基若しくは水を放出させ除去することができ、上記のように電界効果移動度を向上させることができる。このような電界効果移動度の向上は、脱水化・脱水素化による不純物の除去のみならず、高密度化により原子間距離が短くなるためとも推定される。また、酸化物半導体から不純物を除去して高純度化することで結晶化を図ることができる。このように高純度化された非単結晶酸化物半導体は、理想的には100cm2/Vsecを超える電界効果移動度を実現することも可能になると推定される。 By intentionally heating the substrate, an effect of reducing water taken in the sputtering film from being taken into the oxide semiconductor film can be expected. Further, by performing heat treatment after film formation, hydrogen, a hydroxyl group, or water can be released from the oxide semiconductor film and removed, and the field-effect mobility can be improved as described above. Such an improvement in field effect mobility is presumed not only to remove impurities by dehydration and dehydrogenation, but also to reduce the interatomic distance by increasing the density. In addition, crystallization can be achieved by removing impurities from the oxide semiconductor to be highly purified. It is estimated that the highly purified non-single-crystal oxide semiconductor can ideally realize field-effect mobility exceeding 100 cm 2 / Vsec.
In、Sn、Znを主成分とする酸化物半導体に酸素イオンを注入し、熱処理により該酸化物半導体に含まれる水素や水酸基若しくは水を放出させ、その熱処理と同時に又はその後の熱処理により酸化物半導体を結晶化させても良い。このような結晶化若しくは再結晶化の処理により、結晶性の良い非単結晶酸化物半導体を得ることができる。 Oxygen ions are implanted into an oxide semiconductor containing In, Sn, and Zn as main components, hydrogen, a hydroxyl group, or water contained in the oxide semiconductor is released by heat treatment, and the oxide semiconductor is formed simultaneously with or after the heat treatment. May be crystallized. Through such crystallization or recrystallization treatment, a non-single-crystal oxide semiconductor with favorable crystallinity can be obtained.
基板を意図的に加熱して成膜すること及び/又は成膜後に熱処理することの効果は、電界効果移動度の向上のみならず、トランジスタのノーマリ・オフ化を図ることにも寄与している。基板を意図的に加熱しないで形成されたIn、Sn、Znを主成分とする酸化物半導体膜を、チャネルが形成される半導体層に用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスシフトしてしまう傾向がある。しかし、基板を意図的に加熱して形成された酸化物半導体膜を用いた場合、このしきい値電圧のマイナスシフト化は解消される。つまり、しきい値電圧はトランジスタがノーマリ・オフとなる方向に動き、このような傾向は図27(A)と図27(B)の対比からも確認することができる。 The effect of intentionally heating the substrate to form a film and / or heat-treating after the film formation contributes not only to improving the field-effect mobility but also to making the transistor normally off. . A transistor using an oxide semiconductor film containing In, Sn, and Zn as main components formed without intentionally heating a substrate for a semiconductor layer in which a channel is formed has a negative shift in threshold voltage. Tend. However, when an oxide semiconductor film formed by intentionally heating the substrate is used, this negative shift of the threshold voltage is eliminated. That is, the threshold voltage moves in a direction in which the transistor is normally off, and such a tendency can be confirmed from the comparison between FIG. 27A and FIG.
なお、しきい値電圧はIn、Sn及びZnの比率を変えることによっても制御することが可能であり、組成比としてIn:Sn:Zn=2:1:3とすることでトランジスタのノーマリ・オフ化を期待することができる。また、ターゲットの組成比をIn:Sn:Zn=2:1:3とすることで結晶性の高い酸化物半導体膜を得ることができる。 Note that the threshold voltage can also be controlled by changing the ratio of In, Sn, and Zn. By setting the composition ratio to In: Sn: Zn = 2: 1: 3, the transistor is normally turned off. Can be expected. In addition, when the composition ratio of the target is In: Sn: Zn = 2: 1: 3, an oxide semiconductor film with high crystallinity can be obtained.
意図的な基板加熱温度若しくは熱処理温度は、150℃以上、好ましくは200℃以上、より好ましくは400℃以上であり、より高温で成膜し或いは熱処理することでトランジスタのノーマリ・オフ化を図ることが可能となる。 The intentional substrate heating temperature or heat treatment temperature is 150 ° C. or higher, preferably 200 ° C. or higher, more preferably 400 ° C. or higher, and the transistor is normally turned off by forming a film at a higher temperature or by heat treatment. Is possible.
また、意図的に基板を加熱した成膜及び/又は成膜後に熱処理をすることで、ゲートバイアス・ストレスに対する安定性を高めることができる。例えば、2MV/cm、150℃、1時間印加の条件において、ドリフトがそれぞれ±1.5V未満、好ましくは1.0V未満を得ることができる。 In addition, stability against gate bias stress can be improved by intentionally heating the substrate and / or performing heat treatment after the deposition. For example, drifts of less than ± 1.5 V, preferably less than 1.0 V, can be obtained under the conditions of 2 MV / cm, 150 ° C. and 1 hour application, respectively.
実際に、酸化物半導体膜成膜後に加熱処理を行っていない試料1と、650℃の加熱処理を行った試料2のトランジスタに対してBT試験を行った。 Actually, a BT test was performed on the transistor of Sample 1 which was not subjected to heat treatment after the formation of the oxide semiconductor film and Sample 2 which was subjected to heat treatment at 650 ° C.
まず基板温度を25℃とし、Vdを10Vとし、トランジスタのVg−Id特性の測定を行った。次に、基板温度を150℃とし、Vdを0.1Vとした。なお、Vdはドレイン電圧(ドレインとソースの電位差)を示す。次に、ゲート絶縁膜に印加される電界強度が2MV/cmとなるようにVgに20Vを印加し、そのまま1時間保持した。次に、Vgを0Vとした。次に、基板温度25℃とし、Vdを10Vとし、トランジスタのVg−Id測定を行った。これをプラスBT試験と呼ぶ。 First, the substrate temperature of 25 ° C., V d of 10V, were measured V g -I d characteristics of the transistor. Then, the substrate temperature was set to 0.99 ° C., and V d was set to 0.1 V. V d represents a drain voltage (a potential difference between the drain and the source). Next, 20 V was applied to V g so that the electric field strength applied to the gate insulating film was 2 MV / cm, and the voltage was held for 1 hour. Next, Vg was set to 0V. Next, a substrate temperature of 25 ° C., V d of 10V, were V g -I d measurement of the transistor. This is called a plus BT test.
同様に、まず基板温度を25℃とし、Vdを10Vとし、トランジスタのVg−Id特性の測定を行った。次に、基板温度を150℃とし、Vdを0.1Vとした。次に、ゲート絶縁膜に印加される電界強度が−2MV/cmとなるようにVgに−20Vを印加し、そのまま1時間保持した。次に、Vgを0Vとした。次に、基板温度25℃とし、Vdを10Vとし、トランジスタのVg−Id測定を行った。これをマイナスBT試験と呼ぶ。 Similarly, a substrate temperature of 25 ° C. First, V d of 10V, were measured V g -I d characteristics of the transistor. Then, the substrate temperature was set to 0.99 ° C., and V d was set to 0.1 V. Next, −20 V was applied to V g so that the electric field strength applied to the gate insulating film was −2 MV / cm, and this was maintained for 1 hour. Next, Vg was set to 0V. Next, a substrate temperature of 25 ° C., V d of 10V, were V g -I d measurement of the transistor. This is called a minus BT test.
試料1のプラスBT試験の結果を図28(A)に、マイナスBT試験の結果を図28(B)に示す。また、試料2のプラスBT試験の結果を図29(A)に、マイナスBT試験の結果を図29(B)に示す。 The result of the plus BT test of Sample 1 is shown in FIG. 28A, and the result of the minus BT test is shown in FIG. In addition, FIG. 29A shows the result of the plus BT test of Sample 2, and FIG. 29B shows the result of the minus BT test.
試料1のプラスBT試験およびマイナスBT試験によるしきい値電圧の変動は、それぞれ1.80Vおよび−0.42Vであった。また、試料2のプラスBT試験およびマイナスBT試験によるしきい値電圧の変動は、それぞれ0.79Vおよび0.76Vであった。
試料1および試料2のいずれも、BT試験前後におけるしきい値電圧の変動が小さく、信頼性が高いことがわかる。
The threshold voltage fluctuations of the sample 1 in the plus BT test and the minus BT test were 1.80 V and −0.42 V, respectively. Moreover, the fluctuation | variation of the threshold voltage by the plus BT test of the sample 2 and the minus BT test was 0.79V and 0.76V, respectively.
It can be seen that both Sample 1 and Sample 2 have low threshold voltage fluctuations before and after the BT test and high reliability.
熱処理は酸素雰囲気中で行うことができるが、まず窒素若しくは不活性ガス、または減圧下で熱処理を行ってから酸素を含む雰囲気中で熱処理を行っても良い。最初に脱水化・脱水素化を行ってから酸素を酸化物半導体に加えることで、熱処理の効果をより高めることができる。また、後から酸素を加えるには、酸素イオンを電界で加速して酸化物半導体膜に注入する方法を適用しても良い。 Although heat treatment can be performed in an oxygen atmosphere, first, heat treatment may be performed in an atmosphere containing oxygen after performing heat treatment under nitrogen or an inert gas or under reduced pressure. By first adding oxygen to the oxide semiconductor after dehydration and dehydrogenation, the effect of the heat treatment can be further enhanced. In order to add oxygen later, a method in which oxygen ions are accelerated by an electric field and implanted into the oxide semiconductor film may be applied.
酸化物半導体中及び該酸化物半導体と接する膜との界面には、酸素欠損による欠陥が生成されやすいが、かかる熱処理により酸化物半導体中に酸素を過剰に含ませることにより、定常的に生成される酸素欠損を過剰な酸素によって補償することが可能となる。過剰酸素は主に格子間に存在する酸素であり、その酸素濃度は1×1016/cm3以上2×1020/cm3以下のとすれば、結晶に歪み等を与えることなく酸化物半導体中に含ませることができる。 Defects due to oxygen vacancies are likely to be generated at the interface between the oxide semiconductor and the film in contact with the oxide semiconductor, but these defects are regularly generated by excessively containing oxygen in the oxide semiconductor by such heat treatment. This makes it possible to compensate for oxygen deficiency with excess oxygen. Excess oxygen is mainly oxygen present in the lattice. If the oxygen concentration is 1 × 10 16 / cm 3 or more and 2 × 10 20 / cm 3 or less, the oxide semiconductor does not give distortion to the crystal. Can be included.
また、熱処理によって酸化物半導体に結晶が少なくとも一部に含まれるようにすることで、より安定な酸化物半導体膜を得ることができる。例えば、組成比In:Sn:Zn=1:1:1のターゲットを用いて、基板を意図的に加熱せずにスパッタリング成膜した酸化物半導体膜は、X線回折(XRD:X−Ray Diffraction)でハローパタンが観測される。この成膜された酸化物半導体膜を熱処理することによって結晶化させることができる。熱処理温度は任意であるが、例えば650℃の熱処理を行うことで、X線回折により明確な回折ピークを観測することができる。 In addition, a more stable oxide semiconductor film can be obtained by including at least part of crystals in the oxide semiconductor by heat treatment. For example, an oxide semiconductor film formed by sputtering using a target having a composition ratio of In: Sn: Zn = 1: 1: 1 without intentionally heating the substrate is formed by X-ray diffraction (XRD: X-Ray Diffraction). ) A halo pattern is observed. The formed oxide semiconductor film can be crystallized by heat treatment. Although the heat treatment temperature is arbitrary, for example, by performing heat treatment at 650 ° C., a clear diffraction peak can be observed by X-ray diffraction.
実際に、In−Sn−Zn系酸化物のXRD分析を行った。XRD分析には、Bruker AXS社製X線回折装置D8 ADVANCEを用い、Out−of−Plane法で測定した。 Actually, an XRD analysis of an In—Sn—Zn-based oxide was performed. For XRD analysis, an X-ray diffractometer D8 ADVANCE manufactured by Bruker AXS was used, and measurement was performed by the Out-of-Plane method.
XRD分析を行った試料として、試料Aおよび試料Bを用意した。以下に試料Aおよび試料Bの作製方法を説明する。 Samples A and B were prepared as samples subjected to XRD analysis. A method for manufacturing Sample A and Sample B will be described below.
脱水素化処理済みの石英基板上にIn−Sn−Zn系酸化物を100nmの厚さで成膜した。 An In—Sn—Zn-based oxide film was formed to a thickness of 100 nm over a dehydrogenated quartz substrate.
In−Sn−Zn系酸化物は、スパッタリング装置を用い、酸素雰囲気で電力を100W(DC)として成膜した。ターゲットは、In:Sn:Zn=1:1:1[原子数比]のIn−Sn−Zn−Oターゲットを用いた。なお、成膜時の基板加熱温度は200℃とした。このようにして作製した試料を試料Aとした。 The In—Sn—Zn-based oxide was formed using a sputtering apparatus with an electric power of 100 W (DC) in an oxygen atmosphere. As a target, an In—Sn—Zn—O target of In: Sn: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio] was used. The substrate heating temperature at the time of film formation was 200 ° C. The sample thus prepared was designated as Sample A.
次に、試料Aと同様の方法で作製した試料に対し加熱処理を650℃の温度で行った。加熱処理は、はじめに窒素雰囲気で1時間の加熱処理を行い、温度を下げずに酸素雰囲気でさらに1時間の加熱処理を行っている。このようにして作製した試料を試料Bとした。 Next, heat treatment was performed at a temperature of 650 ° C. on the sample manufactured by the same method as Sample A. In the heat treatment, first, heat treatment is performed for 1 hour in a nitrogen atmosphere, and heat treatment is further performed for 1 hour in an oxygen atmosphere without lowering the temperature. The sample thus prepared was designated as Sample B.
図30に試料Aおよび試料BのXRDスペクトルを示す。試料Aでは、結晶由来のピークが観測されなかったが、試料Bでは、2θが35deg近傍および37deg〜38degに結晶由来のピークが観測された。 FIG. 30 shows XRD spectra of Sample A and Sample B. In sample A, no crystal-derived peak was observed, but in sample B, 2θ was observed in the vicinity of 35 deg and from 37 deg to 38 deg.
このように、In、Sn、Znを主成分とする酸化物半導体は成膜時に意図的に加熱すること及び/又は成膜後に熱処理することによりトランジスタの特性を向上させることができる。 In this manner, the characteristics of a transistor can be improved by intentionally heating an oxide semiconductor containing In, Sn, and Zn as main components and / or performing heat treatment after the film formation.
この基板加熱や熱処理は、酸化物半導体にとって悪性の不純物である水素や水酸基を膜中に含ませないようにすること、或いは膜中から除去する作用がある。すなわち、酸化物半導体中でドナー不純物となる水素を除去することで高純度化を図ることができ、それによってトランジスタのノーマリ・オフ化を図ることができ、酸化物半導体が高純度化されることによりオフ電流を1aA/μm以下にすることができる。ここで、上記オフ電流値の単位は、チャネル幅1μmあたりの電流値を示す。 This substrate heating or heat treatment has an action of preventing or removing hydrogen and hydroxyl groups, which are malignant impurities for the oxide semiconductor, from the film. In other words, high purity can be achieved by removing hydrogen which is a donor impurity in an oxide semiconductor, whereby the transistor can be normally turned off and the oxide semiconductor can be highly purified. As a result, the off-current can be reduced to 1 aA / μm or less. Here, the unit of the off current value represents a current value per channel width of 1 μm.
図31に、トランジスタのオフ電流と測定時の基板温度(絶対温度)の逆数との関係を示す。ここでは、簡単のため測定時の基板温度の逆数に1000を掛けた数値(1000/T)を横軸としている。 FIG. 31 shows the relationship between the off-state current of a transistor and the inverse of substrate temperature (absolute temperature) at the time of measurement. Here, for simplicity, the horizontal axis represents a numerical value (1000 / T) obtained by multiplying the reciprocal of the substrate temperature at the time of measurement by 1000.
具体的には、図31に示すように、基板温度が125℃の場合には0.1aA/μm(1×10−19A/μm)以下、85℃の場合には10zA/μm(1×10−20A/μm)以下であった。電流値の対数が温度の逆数に比例することから、室温(27℃)の場合には0.1zA/μm(1×10−22A/μm)以下であると予想される。従って、オフ電流を125℃において1aA/μm(1×10−18A/μm)以下に、85℃において100zA/μm(1×10−19A/μm)以下に、室温において1zA/μm(1×10−21A/μm)以下にすることができる。これらのオフ電流値は、Siを半導体膜として用いたトランジスタに比べて、極めて低いものであることは明らかである。 Specifically, as shown in FIG. 31, when the substrate temperature is 125 ° C., 0.1 aA / μm (1 × 10 −19 A / μm) or less, and when it is 85 ° C., 10 zA / μm (1 × 10 −20 A / μm) or less. Since the logarithm of the current value is proportional to the reciprocal of the temperature, it is expected to be 0.1 zA / μm (1 × 10 −22 A / μm) or less at room temperature (27 ° C.). Therefore, the off-current is 1 aA / μm (1 × 10 −18 A / μm) or less at 125 ° C., 100 zA / μm (1 × 10 −19 A / μm) or less at 85 ° C., and 1 zA / μm (1 × 10 −21 A / μm) or less. It is clear that these off-current values are extremely low compared to a transistor using Si as a semiconductor film.
もっとも、酸化物半導体膜の成膜時に水素や水が膜中に混入しないように、成膜室外部からのリークや成膜室内の内壁からの脱ガスを十分抑え、スパッタガスの高純度化を図ることが好ましい。例えば、スパッタガスは水が膜中に含まれないように露点−70℃以下であるガスを用いることが好ましい。また、ターゲットそのものに水素や水などの不純物が含まれていていないように、高純度化されたターゲットを用いることが好ましい。In、Sn、Znを主成分とする酸化物半導体は熱処理によって膜中の水を除去することができるが、In、Ga、Znを主成分とする酸化物半導体と比べて水の放出温度が高いため、好ましくは最初から水の含まれない膜を形成しておくことが好ましい。 However, in order to prevent hydrogen and water from entering the oxide semiconductor film during film formation, leakage from the outside of the film formation chamber and outgassing from the inner wall of the film formation chamber are sufficiently suppressed to increase the purity of the sputtering gas. It is preferable to plan. For example, the sputtering gas is preferably a gas having a dew point of −70 ° C. or lower so that water is not included in the film. In addition, it is preferable to use a highly purified target so that the target itself does not contain impurities such as hydrogen and water. An oxide semiconductor containing In, Sn, and Zn as main components can remove water in the film by heat treatment, but has a higher water discharge temperature than an oxide semiconductor containing In, Ga, and Zn as main components. Therefore, it is preferable to form a film not containing water from the beginning.
また、酸化物半導体膜成膜後に650℃の加熱処理を行った試料Bを用いたトランジスタにおいて、基板温度と電気的特性の関係について評価した。 In addition, the relationship between the substrate temperature and the electrical characteristics of the transistor using Sample B that was heat-treated at 650 ° C. after the oxide semiconductor film was formed was evaluated.
測定に用いたトランジスタは、チャネル長Lが3μm、チャネル幅Wが10μm、Lovが0μm、dWが0μmである。なお、Vdは10Vとした。なお、基板温度は−40℃、−25℃、25℃、75℃、125℃および150℃で行った。ここで、トランジスタにおいて、ゲート電極と一対の電極との重畳する幅をLovと呼び、酸化物半導体膜に対する一対の電極のはみ出しをdWと呼ぶ。 The transistor used for the measurement has a channel length L of 3 μm, a channel width W of 10 μm, Lov of 0 μm, and dW of 0 μm. In addition, V d was set to 10V. The substrate temperatures were -40 ° C, -25 ° C, 25 ° C, 75 ° C, 125 ° C and 150 ° C. Here, in the transistor, the overlapping width between the gate electrode and the pair of electrodes is referred to as Lov, and the protrusion of the pair of electrodes with respect to the oxide semiconductor film is referred to as dW.
図32に、Id(実線)および電界効果移動度(点線)のVg依存性を示す。また、図33(A)に基板温度としきい値電圧の関係を、図33(B)に基板温度と電界効果移動度の関係を示す。 FIG. 32 shows the dependence of I d (solid line) and field-effect mobility (dotted line) on V g . FIG. 33A shows the relationship between the substrate temperature and threshold voltage, and FIG. 33B shows the relationship between the substrate temperature and field effect mobility.
図33(A)より、基板温度が高いほどしきい値電圧は低くなることがわかる。なお、その範囲は−40℃〜150℃で1.09V〜−0.23Vであった。 FIG. 33A shows that the threshold voltage decreases as the substrate temperature increases. In addition, the range was 1.09V--0.23V at -40 degreeC-150 degreeC.
また、図33(B)より、基板温度が高いほど電界効果移動度が低くなることがわかる。なお、その範囲は−40℃〜150℃で36cm2/Vs〜32cm2/Vsであった。従って、上述の温度範囲において電気的特性の変動が小さいことがわかる。 FIG. 33B shows that the field effect mobility decreases as the substrate temperature increases. Incidentally, the range was 36cm 2 / Vs~32cm 2 / Vs at -40 ° C. to 150 DEG ° C.. Therefore, it can be seen that the variation in electrical characteristics is small in the above temperature range.
上記のようなチャネルが形成される半導体層にIn、Sn、Znを主成分とする酸化物半導体を用いるトランジスタによれば、オフ電流を1aA/μm以下に保ちつつ、電界効果移動度を30cm2/Vsec以上、好ましくは40cm2/Vsec以上、より好ましくは60cm2/Vsec以上とし、LSIで要求されるオン電流の値を満たすことができる。例えば、L/W=33nm/40nmのFETで、ゲート電圧2.7V、ドレイン電圧1.0Vのとき12μA以上のオン電流を流すことができる。またトランジスタの動作に求められる温度範囲においても、十分な電気的特性を確保することができる。このような特性であれば、Si半導体で作られる集積回路の中に酸化物半導体で形成されるトランジスタを混載しても、動作速度を犠牲にすることなく新たな機能を有する集積回路を実現することができる。 According to the transistor using an oxide semiconductor whose main component is In, Sn, and Zn in the semiconductor layer in which the channel is formed as described above, the field-effect mobility is 30 cm 2 while maintaining the off-current at 1 aA / μm or less. / Vsec or more, preferably 40 cm 2 / Vsec or more, more preferably 60 cm 2 / Vsec or more, and can satisfy the on-current value required for LSI. For example, in an FET with L / W = 33 nm / 40 nm, an on-current of 12 μA or more can flow when the gate voltage is 2.7 V and the drain voltage is 1.0 V. In addition, sufficient electrical characteristics can be ensured even in a temperature range required for the operation of the transistor. With such characteristics, an integrated circuit having a new function can be realized without sacrificing operation speed even if a transistor formed of an oxide semiconductor is mixedly mounted in an integrated circuit formed of a Si semiconductor. be able to.
100 分周回路
101 DFF回路
102 DFF回路
103 DFF回路
111 端子部
112 ノード
113 ノード
114 端子部
115 ノード
116 ノード
121 インバータ
122 インバータ
123 インバータ
124 アナログスイッチ
125 アナログスイッチ
126 クロックドインバータ
127 クロックドインバータ
131 p型トランジスタ
132 n型トランジスタ
133 n型トランジスタ
134 p型トランジスタ
135 p型トランジスタ
136 n型トランジスタ
200 分周回路
201 FF回路
202 FF回路
203 FF回路
211 端子部
212 ノード
213 ノード
214 端子部
215 ノード
216 ノード
217 ノード
218 ノード
219 ノード
220 ノード
221 インバータ
222 インバータ
223 ノード
231 トランジスタ
232 トランジスタ
233 トランジスタ
234 トランジスタ
235 トランジスタ
236 トランジスタ
237 トランジスタ
238 トランジスタ
251 FF回路
252 容量素子
253 容量素子
261 FF回路
300 分周回路
301 FF回路
302 FF回路
303 FF回路
311 端子部
312 ノード
313 ノード
314 端子部
315 ノード
316 ノード
341 インバータ
700 基板
701 絶縁膜
702 半導体膜
703 ゲート絶縁膜
704 不純物領域
705 マスク
706 開口部
707 ゲート電極
708 導電膜
709 不純物領域
710 チャネル形成領域
711 不純物領域
712 絶縁膜
713 絶縁膜
716 酸化物半導体層
719 導電膜
720 導電膜
721 ゲート絶縁膜
722 ゲート電極
724 絶縁膜
725 開口部
726 配線
727 絶縁膜
731 トランジスタ
732 トランジスタ
901 トランジスタ
902 下地膜
903 酸化物半導体層
904 ソース電極
905 ドレイン電極
906 ゲート絶縁膜
907 ゲート電極
908 高濃度領域
909 チャネル形成領域
910 保護絶縁膜
911 トランジスタ
912 下地膜
913 酸化物半導体層
914 ソース電極
915 ドレイン電極
916 ゲート絶縁膜
917 ゲート電極
918 高濃度領域
919 チャネル形成領域
920 保護絶縁膜
921 トランジスタ
922 下地膜
923 酸化物半導体層
924 ソース電極
925 ドレイン電極
926 ゲート絶縁膜
927 ゲート電極
928 高濃度領域
929 低濃度領域
930 サイドウォール
931 チャネル形成領域
932 保護絶縁膜
941 トランジスタ
942 下地膜
943 酸化物半導体層
944 ソース電極
945 ドレイン電極
946 ゲート絶縁膜
947 ゲート電極
948 高濃度領域
949 低濃度領域
950 サイドウォール
951 チャネル形成領域
952 保護絶縁膜
961 トランジスタ
962 下地膜
963 酸化物半導体層
964 ソース電極
965 ドレイン電極
966 ゲート絶縁膜
967 ゲート電極
968 高濃度領域
969 低濃度領域
970 サイドウォール
971 チャネル形成領域
972 保護絶縁膜
973 絶縁膜
974 電極
975 電極
1101 下地絶縁層
1102 絶縁物
1104 ゲート絶縁膜
1105 ゲート
1107 絶縁物
7001 筐体
7002 表示部
7011 筐体
7012 表示部
7013 支持台
7021 筐体
7022 表示部
7031 筐体
7032 筐体
7033 表示部
7034 表示部
7035 マイクロホン
7036 スピーカー
7037 操作キー
7038 スタイラス
7041 筐体
7042 表示部
7043 音声入力部
7044 音声出力部
7045 操作キー
7046 受光部
7051 筐体
7052 表示部
7053 操作キー
9900 基板
9901 ALU
9906 Register
9909 ROM
1103a 半導体領域
1103b 半導体領域
1103c 半導体領域
1106a 側壁絶縁物
1106b 側壁絶縁物
1108a ソース
1108b ドレイン
100 Divider circuit 101 DFF circuit 102 DFF circuit 103 DFF circuit 111 Terminal unit 112 Node 113 Node 114 Terminal unit 115 Node 116 Node 121 Inverter 122 Inverter 123 Inverter 124 Analog switch 125 Analog switch 126 Clocked inverter 127 Clocked inverter 131 P-type Transistor 132 n-type transistor 133 n-type transistor 134 p-type transistor 135 p-type transistor 136 n-type transistor 200 Divider circuit 201 FF circuit 202 FF circuit 203 FF circuit 211 Terminal portion 212 Node 213 Node 214 Terminal portion 215 Node 216 Node 217 Node 218 Node 219 Node 220 Node 221 Inverter 222 Inverter 223 Node 231 Transistor 232 Transistor 233 Transistor 234 Transistor 235 Transistor 236 Transistor 237 Transistor 238 Transistor 251 FF circuit 252 Capacitor 253 Capacitor 261 FF circuit 300 Frequency divider 301 FF circuit 302 FF circuit 303 FF circuit 311 Terminal unit 312 Node 313 Node 314 Terminal unit 315 Node 316 Node 341 Inverter 700 Substrate 701 Insulating film 702 Semiconductor film 703 Gate insulating film 704 Impurity region 705 Mask 706 Opening 707 Gate electrode 708 Conductive film 709 Impurity region 710 Channel formation region 711 Impurity region 712 Insulating film 713 Insulating film 716 Oxide Physical semiconductor layer 719 conductive film 720 conductive film 721 gate insulating film 722 gate electrode 724 insulating film 725 opening 26 wiring 727 insulating film 731 transistor 732 transistor 901 transistor 902 base film 903 oxide semiconductor layer 904 source electrode 905 drain electrode 906 gate insulating film 907 gate electrode 908 high-concentration region 909 channel formation region 910 protective insulating film 911 transistor 912 base film 913 Oxide semiconductor layer 914 Source electrode 915 Drain electrode 916 Gate insulating film 917 Gate electrode 918 High concentration region 919 Channel formation region 920 Protective insulating film 921 Transistor 922 Base film 923 Oxide semiconductor layer 924 Source electrode 925 Drain electrode 926 Gate insulating film 927 Gate electrode 928 High concentration region 929 Low concentration region 930 Side wall 931 Channel formation region 932 Protective insulating film 941 Transistor 942 Base film 9 3 Oxide semiconductor layer 944 Source electrode 945 Drain electrode 946 Gate insulating film 947 Gate electrode 948 High concentration region 949 Low concentration region 950 Side wall 951 Channel formation region 952 Protective insulating film 961 Transistor 962 Base film 963 Oxide semiconductor layer 964 Source electrode 965 Drain electrode 966 Gate insulating film 967 Gate electrode 968 High concentration region 969 Low concentration region 970 Side wall 971 Channel formation region 972 Protective insulating film 973 Insulating film 974 Electrode 975 Electrode 1101 Base insulating layer 1102 Insulator 1104 Gate insulating film 1105 Gate 1107 Insulator 7001 Case 7002 Display portion 7011 Case 7012 Display portion 7013 Support base 7021 Case 7022 Display portion 7031 Case 7032 Case 7033 Display portion 7034 Display portion 7035 Microphone 7036 Speaker 7037 Operation key 7038 Stylus 7041 Case 7042 Display unit 7043 Audio input unit 7044 Audio output unit 7045 Operation key 7046 Light receiving unit 7051 Case 7052 Display unit 7053 Operation key 9900 Substrate 9901 ALU
9906 Register
9909 ROM
1103a Semiconductor region 1103b Semiconductor region 1103c Semiconductor region 1106a Side wall insulator 1106b Side wall insulator 1108a Source 1108b Drain
Claims (8)
p型トランジスタである第1のトランジスタ及び第5のトランジスタと、
n型トランジスタである第2乃至第4のトランジスタ及び第6乃至第8のトランジスタと、を有し、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第5のトランジスタのソースまたはドレインの一方と、第1の電源と、電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方と、電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第3のトランジスタのソースまたはドレインの一方と、電気的に接続され、
前記第5のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第6のトランジスタのソースまたはドレインの一方と、電気的に接続され、
前記第6のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第7のトランジスタのソースまたはドレインの一方と、電気的に接続され、
前記第3のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第7のトランジスタのソースまたはドレインの他方と、第2の電源と、電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのゲートは、前記第2のトランジスタのゲートと、前記第8のトランジスタのゲートと、前記第1のインバータの入力と、電気的に接続され、
前記第8のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方と、電気的に接続され、
前記第8のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第7のトランジスタのゲートと、電気的に接続され、
前記第2のインバータの入力は、前記第5のトランジスタのソースまたはドレインの他方と、電気的に接続され、
前記第2のインバータの出力は、前記第4のトランジスタのソースまたはドレインの一方と、電気的に接続され、
前記第4のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第3のトランジスタのゲートと、電気的に接続され、
前記第1のインバータの出力は、前記第4のトランジスタのゲートと、前記第5のトランジスタのゲートと、前記第6のトランジスタのゲートと、電気的に接続され、
入力端子は、前記第1のインバータの入力と電気的に接続され、
出力端子は、前記第2のインバータの入力と電気的に接続されていることを特徴とする分周回路。 Having a first inverter and a second inverter;
a first transistor and a fifth transistor which are p-type transistors;
second to fourth transistors and sixth to eighth transistors, which are n-type transistors,
One of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one of the source and the drain of the fifth transistor and a first power source,
The other of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one of the source and the drain of the second transistor;
The other of the source and the drain of the second transistor is electrically connected to one of the source and the drain of the third transistor;
The other of the source and the drain of the fifth transistor is electrically connected to one of the source and the drain of the sixth transistor;
The other of the source and the drain of the sixth transistor is electrically connected to one of the source and the drain of the seventh transistor;
The other of the source and the drain of the third transistor is electrically connected to the other of the source and the drain of the seventh transistor and a second power source;
A gate of the first transistor is electrically connected to a gate of the second transistor, a gate of the eighth transistor, and an input of the first inverter;
One of a source and a drain of the eighth transistor is electrically connected to the other of the source and the drain of the first transistor;
The other of the source and the drain of the eighth transistor is electrically connected to the gate of the seventh transistor;
An input of the second inverter is electrically connected to the other of the source and the drain of the fifth transistor;
An output of the second inverter is electrically connected to one of a source and a drain of the fourth transistor;
The other of the source and the drain of the fourth transistor is electrically connected to the gate of the third transistor;
The output of the first inverter is electrically connected to the gate of the fourth transistor, the gate of the fifth transistor, and the gate of the sixth transistor ,
The input terminal is electrically connected to the input of the first inverter,
An output terminal is electrically connected to an input of the second inverter .
前記第1の電源は、前記第2の電源よりも高い電位を供給することを特徴とする分周回路。 In claim 1,
The frequency dividing circuit, wherein the first power supply supplies a higher potential than the second power supply.
前記第8のトランジスタのソースもしくはドレインの一方または前記第2のインバータの入力の少なくとも一方に、容量素子が電気的に接続されていることを特徴とする分周回路。 In claim 1 or claim 2,
A frequency dividing circuit, wherein a capacitor is electrically connected to at least one of a source and a drain of the eighth transistor or an input of the second inverter.
前記第4のトランジスタは、チャネルが形成される半導体層が酸化物半導体であることを特徴とする分周回路。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
In the frequency divider circuit, the semiconductor layer in which the channel is formed is an oxide semiconductor.
前記第8のトランジスタは、チャネルが形成される半導体層が酸化物半導体であることを特徴とする分周回路。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
In the eighth transistor, the semiconductor layer in which a channel is formed is an oxide semiconductor.
前記第2のトランジスタまたは前記第3のトランジスタの少なくとも一方は、チャネルが形成される半導体層が酸化物半導体であることを特徴とする分周回路。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
In at least one of the second transistor and the third transistor, a semiconductor layer in which a channel is formed is an oxide semiconductor.
前記第6のトランジスタまたは前記第7のトランジスタの少なくとも一方は、チャネルが形成される半導体層が酸化物半導体であることを特徴とする分周回路。 In any one of Claims 1 thru | or 6,
In at least one of the sixth transistor and the seventh transistor, a semiconductor layer in which a channel is formed is an oxide semiconductor.
前記分周回路を用いた半導体装置。 In any one of Claims 1 thru | or 7,
A semiconductor device using the frequency divider circuit.
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